碳化硅纳米纤维复合材料的制备及性能测试

　　作者：李福（毕业于天津工业大学非织造材料与工程专业，现任河北杰豪集团公司销售助理）

　　指导老师：庄旭品（天津工业大学纺织学部教授）

　　碳化硅结构型吸波材料是在先进复合材料基础上发展起来的双功能复合材料，它既能吸波又能承载，可成型各种形状复杂的部件，如机翼、尾翼、进气道等，具有涂覆材料无可比拟的优点，是当代吸波材料主要发展方向。用溶液喷射纺丝法制备碳化硅纳米复合纤维是一项新的纺丝技术，适合大多数的纺丝溶液采用该方法制备超细纤维，应用较为广泛。

　　实验操作得出关键数据

　　与静电纺技术相比，溶液喷射纺丝有一个较大的优点，就是纺丝速度快，可以在较短的时间获得较多的微纳米纤维，使得大规模产业化成为一种可能。本文通过溶液喷射纺丝技术研究了使用PLA作纺丝助剂制备碳化硅纳米纤维的工艺，为碳化硅纳米纤维的制备提供了新途径。

　　原料与设备

　　本测试所用原料

　　本测试所用实验仪器：蠕动泵（BT03-GT-8），生产厂家为天津协达；多翼低噪声离心式通风机（DDT9-56-12NO2.5）生产厂家为上海洲洲机电有限公司；集热式恒温加热磁力搅拌器（DW-2）生产厂家为巩义市英峪高科仪器厂；电热鼓风恒温干燥箱（DHG-9030A），生产厂家为巩义市予华仪器有限公司；差式扫描热量仪（DSC7），生产厂家为美国PERKINELMER公司；X射线衍射仪（XRD），生产厂家为德国BRUKER公司；傅立叶变换红外光谱仪TENSOR37，生产厂家为德国BRUKER公司。

　　不同溶剂纺丝液的制备

　　本实验将聚碳硅烷（PCS）作为原料，使用聚乳酸（PLA）作为纺丝助剂，为选择合适的溶剂，通过对比各溶剂对PCS的溶解能力以及各自的熔点和毒性，根据纺丝条件综合选择四氢呋喃（THF）和1,4-二氧六环混合作为本课题的溶剂。

　　取7只125ml磨口玻璃瓶，2只量筒，转子若干，洗净烘干；计算并称量配制5%质量分数PLA和PCS的质量；按照不同比例量取溶剂，分别倒入玻璃瓶，将PLA倒入玻璃瓶，放入转子，将玻璃瓶密封并固定于水浴搅拌加热锅中，设定温度50℃并搅拌；待PLA全部溶解，再将PCS加入玻璃瓶中，待PCS全部溶解，即得到不同溶剂配比的纺丝液。

　　不同粘度纺丝液的制备及粘度的测定

　　取7只125ml磨口玻璃瓶，2只量筒，转子若干，洗净烘干；计算并称量配制PLA质量分数为2%、3%、4%、5%、7%、9%、11%，PCS质量分数为5%的纺丝液所需PLA和PCS的质量；量取13.3ml1,4-二氧六环和6.7mlTHF分别加入到7只磨口玻璃瓶中，加入PLA，放入转子，将玻璃瓶密封并固定于水浴搅拌加热锅中，设定温度50℃并搅拌；待PLA全部溶解，再将PCS加入玻璃瓶中，待PCS全部溶解，即得到不同粘度的纺丝液。

　　使用旋转式粘度计测定不同PLA含量纺丝液的粘度。分别将各纺丝液倒入外筒里同轴地安装内筒,其间充满了粘性流体,同步电机以稳定的速度旋转,接连刻度圆盘,再通过游丝和转轴带动内筒旋转,内筒即受到基于流体的粘性力。

　　数据分析确定最佳工艺

　　溶剂的挥发性对纺丝状态有很大影响，使用四氢呋喃和1,4-二氧六环作为溶剂时，随着1，4-二氧六环量的增加，纺丝液的可纺性提高，但1,4-二氧六环挥发性不如THF，从而得到纤维形态规整度降低，同时由于四氢呋喃对PCS的溶解性比1，4-二氧六环好，当1，4-二氧六环含量增加时，纺丝液变得浑浊。综合分析，控制四氢呋喃和1.4-二氧六环体积比为1∶2时，纺丝效果最好，纤维直径细且分布均匀。

　　通过改变纺丝液中PLA的含量，得到不同粘度的纺丝液，随着PLA含量的提高，纺丝液粘度增加，综合分析，适合纺丝的纺丝液粘度在10mPa.s~150mPa.s，选择PLA质量分数为3%；由于PCS/PLA纤维中PCS含量对最终纤维性能有很大影响，为得到性能良好的SiC纤维，需要使纺丝液中PCS含量尽量提高，本实验选择PCS质量分数为7%。

　　煅烧后为确定所得纤维是SiC纤维，分别对PCS/PLA原纤、预氧化后的纤维和煅烧后的纤维进行了X射线衍射分析，测试条件是2θ从10°到80°，数据如图。

　　根据XRD图分析，其中曲线a是PCS原纤的X射线衍射曲线，曲线b是预氧化后纤维的X射线衍射曲线，曲线c是煅烧后纤维的X射线衍射曲线，曲线a和b中未出现SiC的特征峰，曲线c中分别在2θ=35、60和70附近出现了β-SiC碳化硅的特征峰，由此可知，在实验煅烧后成功得到了SiC纳米纤维，且SiC的晶型是β型。

　　从纯PCS的FT-IR谱图可以看出，在2900cm-1~2850cm-1左右的范围内出现了两个明显的特征吸收峰，它们对应着PCS饱和烃C-H的伸缩振动，这是由ν和δ键共振引起的。在2100cm-1左右出现了较强的吸收峰，其对应着Si-H的伸缩振动；1250cm-1处出现的尖锐的吸收峰，则是-CH3的弯曲振动引起的。PCS中的Si-CH2-Si骨架结构则可以通过1040cm-1~1020cm-1区域中的CH2的变形振动得以证明。PCS/PLA复合纤维的FT-IR谱图（图1a）相较于纯PCS的FTIR谱图而言，只在1750cm-1左右的位置多出了一个吸收峰，对应PLA中C=O的特征吸收峰；其他吸收峰的频率位置没有发生改变，只是强度减弱，这是由于PLA的加入，PCS的含量相对减少，对应频率的透射光强减弱。从经过高温煅烧后的FTIR谱图（图1c）可以看出，经过高温煅烧后，在特征峰区域内没有明显的特征峰，曲线只在1100cm-1和828cm-1的位置出现了分布较宽，强度较低的吸收峰，分别对应C-Si骨架振动和Si-O-Si伸缩振动，这也表明纤维已经由有机物转变为无机陶瓷纤维复合材料了。