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聚碳硅烷纤维经辐射氧化-热处理制备高性能碳化硅纤维
摘要
聚碳硅烷（PCS）是一种优良的高分子材料，经辐射氧化和热处理可以制备高性能的碳化硅纤维。本文通过对PCS纤维的辐射氧化和热处理条件的优化，得到了一种性能优良的碳化硅纤维。研究表明，PCS纤维的热处理温度和时间是影响碳化硅纤维性能的关键因素，适当的热处理条件可以显著提高碳化硅纤维的力学性能和耐氧化性能。同时，研究还发现，通过引入适量的碳源，可以进一步改善碳化硅纤维的性能，从而拓展其应用范围。
关键词：聚碳硅烷，辐射氧化，热处理，碳化硅纤维，力学性能，耐氧化性能
1.引言
碳化硅是一种重要的陶瓷材料，具有优异的高温性能和化学稳定性，在航空航天、石油化工、电子器件等领域有广泛的应用。碳化硅纤维作为碳化硅材料的重要成分之一，其性能的优劣直接影响到碳化硅材料的整体性能。目前，制备碳化硅纤维的主要方法包括聚合物高温炭化、化学气相沉积、熔融纺丝等。其中，聚合物高温炭化法是目前应用最广泛的一种制备碳化硅纤维的方法。
聚碳硅烷（PCS）是一种优良的高分子材料，具有良好的加工性能和高温稳定性，可以通过聚合物高温炭化法制备高性能的碳化硅纤维。但是，PCS纤维在炭化过程中会发生氧化反应，导致纤维力学性能和耐氧化性能下降。为了解决这一问题，研究人员开始将辐射氧化技术引入到PCS纤维的制备过程中。辐射氧化可以在PCS纤维表面形成一层氧化层，有效地保护纤维不受氧化破坏。热处理可以将PCS纤维转化为碳化硅纤维，同时消除辐射氧化过程中产生的结构缺陷，提高纤维的力学性能和耐氧化性能。
在本文中，我们将研究PCS纤维的辐射氧化和热处理条件的优化，得到一种性能优良的碳化硅纤维。研究结果表明，适当的热处理条件可以显著提高碳化硅纤维的力学性能和耐氧化性能。同时，引入适量的碳源可以进一步改善碳化硅纤维的性能，从而拓展其应用范围。
2.实验方法
2.1PCS纤维的制备
PCS纤维的制备采用湿法旋转纺丝技术。具体制备过程如下：首先将聚合物PCS溶解于气相色谱纯的三氯甲烷中，得到质量分数为10%的PCS溶液。然后将PCS溶液放入注射器中，通过注射器直接旋转纺丝得到PCS纤维。旋转纺丝的条件为：转速为2000rpm，注射器到收集器的距离为15cm，阻力为200Pa。
2.2PCS纤维的辐射氧化
PCS纤维的辐射氧化采用X射线辐照方式，辐照剂量为200kGy。辐射过程中，PCS纤维放置在7.5cm×7.5cm的托盘中，托盘上下的距离为10cm。
2.3PCS纤维的热处理
PCS纤维的热处理采用高温炭化技术，热处理温度为1500℃，时间为2h。在热处理过程中，PCS纤维被置于腔体中，通过控制加热速率，将其升温至1500℃，保温2h后降温。
2.4PCS纤维的碳源改性
在PCS纤维的辐射氧化和热处理过程中，可以引入适量的碳源来改善纤维的性能。碳源采用苯乙烯，添加量为纤维重量的5%和10%。
3.结果与讨论
3.1PCS纤维的氧化破坏
在聚合物高温炭化过程中，PCS纤维容易发生氧化反应，导致纤维力学性能和耐氧化性能下降。为了解决这一问题，我们将辐射氧化技术引入到PCS纤维的制备过程中。辐射氧化可以在PCS纤维表面形成一层氧化层，有效地保护纤维不受氧化破坏。图1显示了未经氧化和经200kGy辐射氧化后的PCS纤维形貌和拉伸性能。可以看出，未经氧化的PCS纤维表面光滑，拉伸性能较好，断裂伸长率为12.5%；而经过辐射氧化处理后，PCS纤维表面呈现出皱纹状，氧化层形成，拉伸性能大大下降，断裂伸长率为0。这表明，辐射氧化过程对PCS纤维的氧化破坏具有良好的保护效果。
图1PCS纤维形貌和拉伸性能（a）未经氧化的PCS纤维，（b）经200kGy辐射氧化的PCS纤维
3.2热处理对碳化硅纤维性能的影响
热处理是将PCS纤维转化为碳化硅纤维的关键步骤，也是提高碳化硅纤维性能的重要手段。通过优化热处理条件，可以显著提高碳化硅纤维的力学性能和耐氧化性能。图2显示了热处理温度和时间对碳化硅纤维性能的影响。可以看出，随着热处理温度和时间的增加，碳化硅纤维的弯曲强度、体积密度和断裂伸长率逐渐增加，而线性膨胀系数逐渐降低。这表明，适当的热处理条件可以有效地提高碳化硅纤维的力学性能和耐氧化性能。
图2热处理温度和时间对碳化硅纤维性能的影响
3.3碳源改性对碳化硅纤维性能的影响
通过引入适量的碳源，可以进一步改善碳化硅纤维的性能，从而拓展其应用范围。图3显示了不同碳源添加量对碳化硅纤维性能的影响。可以看出，适量的碳源可以显著提高碳化硅纤维的弯曲强度和断裂伸长率，同时降低线性膨胀系数。但是，当碳源添加量过多时，碳化硅纤维的性能会逐渐下降。这是因为过多的碳源会导致碳化硅纤维表面结构不稳定，从而影响其力学性能和耐氧化性能。
图3碳源添加量对碳化硅纤维性能的影响
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