氮化硅纤维表面氮化硼涂层的制备与性能研究

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本文针对高性能透波材料所提出的耐温、承载、透波等要求,以聚硼氮烷作为陶瓷前驱体涂层,通过前驱体浸渍裂解法(PIP),在氮化硅纤维的表面制备了氮化硼(BN)涂层,并且对涂层氮化硅纤维的形貌进行了一系列的表征以及对其力学性能进行了测试和评价,具体内容如下:首先采用三氯化硼(BC13)与六甲基二硅氮烷(HMDZ)低温反应制备了一种无色透明的氮化硼前驱体,聚硼氮烷。并且对氮化硼前驱体的合成、交联与裂解进行了表征。结果发现,随着温度的升高,聚合物的分子量在变大,化学键会发生断裂重排,并交联成网状结构,聚合物的陶瓷产率在逐渐降低,裂解产物的结晶度在逐渐提高。在氨气-900℃裂解条件下,聚硼氮烷的陶瓷产率约为34%。其次,通过力学性能测试分析了热处理温度和轮次对氮化硅纤维力学性能的影响规律,并采用SEM表征了纤维热处理前后外观形貌的变化。结果表明,纤维表面均匀平滑,且无明显缺陷,随着温度的升高,纤维的力学性能在降低,900℃保温1h后,其强度保留率为87.01%。在900℃-1h条件下,热处理次数对氮化硅纤维力学性能影响较小。再次,通过前驱体浸渍裂解法在氮化硅纤维表面制备BN涂层,并对涂层氮化硅纤维的形貌以及力学性能进行了评价。结果发现,未经高分子化的液相前驱体与氮化硅纤维浸润性良好,纤维表面涂层较为平滑,局部有凸起聚集现象,而且涂层较厚。通过力学性能测试可知,涂层氮化硅纤维的力学性能随着裂解温度的升高而降低,通过氨气900℃-1h裂解,其拉伸强度值为560MPa,对应的保留率为53.94%,随着温度的升高,氮化硼前驱体中的可反应基团会与纤维表面残余的羟基等活性基团进行反应,而且氮化硅纤维表面的涂层会发生径向与轴向收缩,导致了涂层氮化硅纤维的力学性能下降。为进一步提高涂层纤维的力学性能,优化涂层形貌,将聚硼氮烷高分子化,变为固相前驱体,将其配成溶液,然后选用低浓度前驱体溶液多轮浸渍工艺涂层氮化硅纤维。这样既可以防止小分子与纤维表面基团反应,也可以控制涂层厚度,避免涂层在裂解过程中收缩拉扯纤维造成的损伤。经过优化得出,当前驱体溶液的浓度为5(wt)%时,在氨气900℃-1h裂解条件下,经2轮浸渍工艺所得涂层均匀致密,厚度约为500nm。涂层后纤维拉伸强度为676MPa,是相同条件下空白纤维的74.84%。
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