先驱体转化法制备无机基/有机聚合物梯度材料

论文摘要

本研究旨在采用表面加载高温高密度热流方法，在材料内部沿热流方向形成使陶瓷先驱体进行梯度裂解的温度梯度，并通过多次表面浸渍—裂解循环致密工艺制备表面耐高温氧化性能优异的陶瓷／聚合物梯度材料，为今后研制具有陶瓷耐烧蚀性能的聚合物耐烧蚀材料打下基础。 文中在进行对比分析几种常用的陶瓷先驱体聚合物性能、成本的基础上，选用了两种国内生产的低成本的聚甲基硅氧烷树脂SAR-9和SAR-2作陶瓷先驱体，制备具有耐高温氧化性能的Si-C-O陶瓷。通过惰性环境DTA和热失重分析得出SAR-9的裂解温度范围是230—837℃，陶瓷转化率大于85％。对不同裂解温度下的裂解产物进行了FTIR、XRD及DTA-TG测试分析，结果表明SAR-9在1200℃裂解转化生成Si-C-O陶瓷的耐氧化性能最好，在1000℃高温空气氧化失重率为0.4％，而900℃、1600℃裂解转化的产物的失重率分别为2.2％、2.6％。 以1：1碳纤维布增强SAR-9聚合物基复合材料为坯料，以SAR-2为浸渍树脂，采用了四种不同的裂解温度，通过多次浸渍—裂解循环致密工艺制备出Cf／Si-C-O陶瓷复合材料。试验结果表明，裂解温度为1200℃，经过7次循环裂解—浸渍致密工艺所制备的Cf／Si-C-O陶瓷复合材料，其室温弯曲强度和1000℃氧化后弯曲强度的保留值最高，分别为190.5MPa、172.3MPa，其密度为1.920g／cm3。然后，在惰性气氛下对制备的陶瓷复合材料材料进行高温热处理，发现当温度高于1600℃时，在Cf／Si-C-O陶瓷复合材料界面碳纤维与Si-C-O陶瓷发生化学反应，生成SiC结晶体。温度越高反应越剧烈，碳纤维表面破坏程度加剧，SiC晶体颗粒增大。 借助材料烧蚀过程热传导计算分析方法，并建立相应的计算模型，对φ／δ＞5的碳纤维增强SAR-9分复合材料样品表面加载不同热流密度时的温度梯度进行了计算。从理论上计算出采用表面裂解SAR-9方法制备陶瓷梯度材料所需要的热流密度与加热时间。计算结果表明，热流密度为600kW／m2、加热时间为2—5s时比较适宜。然后，设计制作了三种表面裂解装置和加热方法，并进行了试验比较。试验表明采用传热法可以有效的对裂解样品进行气体保护，提供表面裂解所要求的热流密度。 以氧乙炔焰作热源对Cf／SAR-9聚合物复合材料坯料进行表面裂解，以SAR-2作浸渍树脂，通过多次循环表面浸渍—裂解致密工艺制备出Si-C-O／聚甲基硅氧

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 耐烧蚀材料的分类及发展概况
• 1.1.1 耐烧蚀材料的分类
• 1.1.2 导弹端头、发动机喷管耐烧蚀复合材料
• 1.1.3 有机硅陶瓷先驱体在耐烧蚀材料领域中的应用
• 1.1.4 耐烧蚀材料性能综合比较及改进方法
• 1.2 梯度复合技术在制备新型耐超高温及超高温差材料中的应
• 1.2.1 梯度功能材料及应用
• 1.2.2 梯度功能材料的成型技术
• 1.3 本文的研究目的
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 聚甲基硅氧烷先驱体的裂解及产物与裂解温度之间关系
• 2.1 前言
• 2.2 原材料与试验
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 试验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 SAR-9裂解工艺参数优化
• 2.3.2 裂解产物结构与裂解温度之间的关系研究
• 2.3.3 裂解温度对裂解产物的抗氧化性能影响
• 2.4 小结
• 第3章 均匀温场下Si-C-O无机基复合材料的制备及性能
• 3.1 前言
• 3.2 原材料与试验
• 3.2.1 原材料
• 3.2.2 碳纤维Si-C-O无机基复合材料的制备
• 3.2.3 试验部分
• 3.3 结果与分析
• f／Si-C-O无机基复合材料致密化控制技术'>3.3.1 C_f／Si-C-O无机基复合材料致密化控制技术
• f／Si-C-O无机基复合材料性能研究'>3.3.2 C_f／Si-C-O无机基复合材料性能研究
• 3.3.2.1 复合材料力学性能及耐高温氧化性能
• 3.3.2.2 碳纤维与基体界面粘结分析
• 3.3.2.3 温度对复合材料热性能的影响
• 3.3.3 高温惰性气氛下热处理对材料结构的影响
• 3.3.3.1 高温热处理对复合材料晶体含量及组分的影响
• 3.3.3.2 高温热处理对复合材料微观结构的影响
• 3.4 小结
• 第4章 梯度裂解的非均匀温度场计算
• 4.1 前言
• 4.2 计算模型建立
• 4.3 与计算有关的物性参数
• 4.3.1 SAR-9裂解参数
• 4.3.2 热常数及密度
• 4.4 非均匀温度场计算
• 4.4.1 边界条件一：固定受热面的热流密度
• 4.4.2 边界条件二：固定受热面的温度
• 4.4.3 计算温差与实测结果比较
• 4.5 小结
• 第5章 非均匀温场下Si-C-O／SAR-9梯度材料的制备
• 5.1 前言
• 5.2 加热方式对先驱体梯度裂解的影响
• 5.2.1 硅碳棒炙热法
• 5.2.2 火焰烧蚀法
• 5.2.3 传热法
• 5.3 试验部分
• 5.3.1 原材料
• 5.3.2 Si-C-O／SAR-9梯度材料制备
• 5.3.3 性能测试
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 Si-C-O／SAR-9梯度材料致密化控制技术
• 5.4.2 Si-C-O／SAR-9梯度材料的梯度结构分析
• 5.4.2.1 Si、C、O元素梯度分布研究
• 5.4.2.2 基体化学结构的梯度分析
• 5.4.3 梯度材料致密性微观分析
• 5.5 小结
• 第6章 非均匀温场下“SiC／聚碳硅烷（PCS）”系梯度材料制备探索
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 原材料
• 6.2.2 SiC／PCS梯度材料的制备
• 6.2.3 性能测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 SiC／PCS梯度材料致密化控制
• 6.3.2 SiC／PCS梯度材料的梯度结构分析
• 6.3.2.1 基体化学结构的梯度分析
• 6.3.2.2 梯度结构的微观分析
• 6.3.3 SiC／PCS梯度材料的陶瓷面和聚合物面抗氧化性能比较
• 6.4 小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢