热处理对含铁碳化硅纤维结构和性能的影响

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以低分子量聚碳硅烷(Low-molecular weight polycarbosilane,LPCS)与羰基铁Fe(CO)5为原料制得含铁高聚物,然后与高分子量聚碳硅烷(High-molecularweight polycarbosilane,HPCS)共混制备含铁聚碳硅烷先驱体(Fe-PCS),经熔融纺丝、氧化交联、裂解最终得到含铁SiC纤维。通过放大合成实验,制备了铁含量(基于先驱体质量)分别为0wt%、1wt%、2wt%的三种含铁SiC纤维,将此三种纤维分别在700℃、900℃、1100℃下保温10h、100h,研究热处理条件对纤维的结构与性能的影响。  研究表明,铁的引入会使PCS的可纺性变差。含1%Fe的PCS先驱体纺丝性能较好,通过调节合成条件,2%Fe先驱体原料可满足连续纺丝要求。随着Fe含量增加,SiC的晶粒尺寸增大,纤维中SiC的结晶度显著提高,说明纳米级Fe颗粒的引入显著地促进了β-SiC晶粒的生长,使热处理条件变得温和。Fe-0纤维经过~1100℃/100h热处理,Fe-1纤维经过900℃/10h热处理均可有效提高碳化硅的结晶度,达到调节电阻率的目的。  900℃以下热处理可促进纤维的有机-陶瓷化转变,提高纤维的弹性模量和强度;但1100℃会使得SiC晶粒粗化,导致强度下降。因此900℃热处理后纤维强度达到最大值。  铁促进纤维中SiCxOy相的高温分解,导致无定型碳含量增加,但铁同时也促进无定型碳的结晶,使有序碳含量增加。在不同热处理温度、时间及Fe含量下,这两种趋势相互竞争,可通过改变这些参数对纤维中碳结构进行调节。  热处理可以改变含铁SiC纤维的微观结构,从而显著地改变纤维的电阻率。在本实验设定的Fe含量(0%~2%)跨度及热处理条件下,SiC纤维电阻率可实现跨越约4个数量级的变化(6.75Ω·cm~3.8×104Ω·cm)。相关性分析表明氧含量对电阻率的影响最大,其次为Fe含量及SiC结晶度,而碳的石墨化度对电阻率影响最小,它们与电阻率的相关系数分别为0.71、-0.695、-0.675、-0.098。研究结果为纤维成分和工艺的设计提供了理论依据。
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