辐照氧化交联聚碳硅烷纤维的机理及在吸波SiC纤维中的应用

Microwave-absorbing composite is one of structure/function integrating materials that has drawn great interests since the important applications in high-performance electronic devices and malitary equipments. Lately, a type of oxygen-variable SiC fiber is prepared from polycarbosilane cured by oxidation radiation. The fiber is proven to have high tensile strength and applicable electromagnetic property, making itself competent to serve as reinforcement and absorbent of the microwave-absorbing composite. Electromagnetic wave trapped in SiC fiber is mainly decayed in the form of dielectric loss, however the value of which is strongly related to the existence of oxygen. By controlling the content and the distribution of oxygen, electromagnetic parameters of the SiC fiber can be gradually changed in large scale. Accordingly, absorbing efficiency will be improved and frequency range will be enlarged as well. In this task, mechanism of oxidation radiation curing of the polycarbosilane fiber will be revealed by figuring the competition between chemical reaction and oxygen diffusion. The mechanism offers theoretical bases for the controlling of O. In addition, relationship between microstructure and electromagnetic parameters will be established to guide the adjustment of electromagnetic property. Finally, to assess thermostability of the obtained SiC fiber, a set of heat treatment experiments will be carried out, microstruture and electromagnetic property of the treated fiber will be investigated systematacially.

宽频吸波复合材料是国际上重点发展的结构/功能一体化新材料，在高性能电子设备和先进国防装备上具有重要用途。本课题组前期对聚碳硅烷纤维进行了电子束辐照氧化交联，制备出不同氧含量的SiC纤维。测试表明，该类纤维具有优异的力学性能与电磁性能，有潜力用作宽频吸波复合材料增强体/吸收剂。 SiC纤维的吸波机制主要为介电损耗，损耗性能受微观结构控制，对氧尤其敏感。调控氧含量及分布，可大范围且连续地改变介电性能，获得宽频吸波的系列SiC纤维。本课题主要针对聚碳硅烷纤维的辐照氧化交联过程，研究反应与扩散的竞争规律、辐照交联与氧化交联的协同作用规律，揭示交联机理，为实现氧的控制提供理论依据；在此基础之上，研究氧与电磁参数的作用规律，作为调控SiC纤维电磁性能的依据；最后，测试高温热处理后该SiC纤维微观结构、力学性能及电磁性能的稳定性，验证其作为耐高温吸波纤维的可用性。

宽频吸波复合材料是国际上重点发展的结构/功能一体化新材料，在高性能电子设备和先进国防装备上具有重要用途。连续SiC纤维具有优异的力学性能与耐高温性能，通过调控，其还具有不同程度的损耗电磁波的能力，有潜力用作宽频吸波复合材料增强体/吸收剂。SiC纤维的吸波机制主要为介电损耗，损耗性能受微观结构控制，对氧尤其敏感。前期研究表明，通过对聚碳硅烷纤维进行辐照氧化交联，有可能使最终SiC纤维中形成氧梯度，进而形成阻抗渐变结构。该新型的吸波SiC纤维有利于实现宽频吸波。本课题主要研究聚碳硅烷纤维的辐照氧化交联机理；在此基础之上，研究纤维微观结构与力学性能及电磁参数的作用规律；最后，研究高温热处理后该SiC纤维的稳定性，初步验证其作为耐高温吸波纤维的可用性。主要研究结论为：（1）低氧浓度的辐射气氛有效地控制了辐射氧化过程中的放热，从而避免了并丝，保证了SiC纤维的成功制备，而氧化与电子束辐射的联用有效地保证了纤维制备的效率，这是一种快速简易制备高性能SiC纤维的方法，其工艺可控性优于热氧化交联；（2）电子束辐照氧化交联的机理为Si-H键氧化，生成-ROOH过氧基团，热处理过程中过氧基团-ROOH之间脱水缩合生成-R-O-R-的交联结构；此外，整个交联过程中存在显著的氧扩散效应，使得制备的SiC纤维具有明显的氧梯度和结构梯度。（3）与单纯氧化交联制备的SiC纤维相比，利用电子束辐照氧化交联制备出的SiC纤维表层氧含量高，内部氧含量低，更有助于电磁波的逐渐进入、逐渐吸收，使其雷达波吸收性能提高。（4）在1250℃以上的温度进行热处理后，纤维表层的富氧层开始出现不同程度的粘滞流动；在更高温度热处理后，表面富氧层中的无定形相SiCxOy在高温下分解，氧的逸出在表面形成大量缺陷，同时导致晶粒过度长大。可以推测，利用电子束辐照氧化交联制备的SiC纤维的长期使用温度上限为1000~1250℃。本研究为吸波SiC纤维的制备提供了新的思路，也为后续利用电子束辐照氧化交联技术制备SiC纤维的结构控制和性能改进提供了理论依据。