含纳米铁碳化硅纤维设计及其高温吸波性能

吸波陶瓷基复合材料是目前国家急需的先进耐高温结构/功能一体化隐身材料，同时也是国际上重点发展的新材料，在航空、先进国防装备上具有重要的用途。厦门大学发展了新型的纳米铁溶胶制备技术，并利用该溶胶对聚碳硅烷改性，成功制备了含高浓度纳米铁粒子的高强度碳化硅纤维。初步测试表明，纤维具有优异的力学性能和电磁性能，有可能用做吸波陶瓷基复合材料的增强纤维。碳化硅纤维的吸波性能由其介电损耗和磁损耗决定，而它们又受到纤维化学组成、相组成、微观结构等因素的影响。本课题拟制备不同铁含量、铁粒子尺度的碳化硅纤维，研究纤维在长时间高温氧化环境下的力学性能、相组成、微结构与电磁性能的关系，为纤维化学组成和微结构的设计提供依据；为了验证纤维高温吸波性能，采用CVI技术制备SiC/SiC复合材料，测量复合材料高温电磁性能，并通过理论分析，预测纤维与复合材料的高温吸波性能及其变化规律，为确定纤维的合适服役条件提供理论依据。

本课题的主要目的是研究含有纳吸波碳化硅纤维制备过程中的基础科学问题，并系统研究了纤维的吸波性能以及影响因素。圆满完成了项目的任务要求，取得了一系列具有创新性的理论研究和应用成果，项目期间一共发表了18篇学术论文，其中11篇被SCI收录，11篇被EI收录；获得2项授权的国家发明专利；一共培养了15名博士研究生、硕士研究生和青年教师。在该成果的基础上，项目获得了国家十二五重点课题的资助，进行吸波纤维制备关键技术的攻关研究。. 本课题以低分子量聚碳硅烷（PCS）与羰基铁Fe(CO)5为原料制得含纳米铁的溶胶，系统研究了铁溶胶的化学结构和形成机理。然后将铁溶胶与高分子量聚碳硅烷共混制备含铁聚碳硅烷（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℃~1100℃下保温0~100h，研究热处理条件对纤维的结构与性能的影响。. 研究表明，在铁溶胶的形成过程中，由于液态PCS和羰基铁的化学反应，在界面上形成化学交联，使铁溶胶颗粒被PCS包覆，显著体高峰了铁溶胶的稳定性，为制备含纳米铁碳化硅纤维的制备奠定了基础。在热解过程中，纳米铁粒子显著促进了纤维中beta-SiC的结晶，这对纤维的电阻率和吸波性能产生了显著的影响。在最终的碳化硅纤维中，铁以纳米（5~7nm）的alpha-Fe粒子形式存在，均匀分散在纤维中。. 热处理可改变含铁SiC纤维的微观结构，从而显著地改变纤维的电阻率。在本研究设定的Fe含量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。其中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。研究结果为纤维成分和工艺的设计提供了理论依据。