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本研究采用聚碳硅烷作为先驱体,经熔融纺丝得到原丝,然后采用无氧电子束交联进行不熔化处理,将交联后的纤维先在NH3气氛中于700℃~1000℃进行氨化反应,接着在N2气氛中于1000℃~1300℃进行氮化反应,这样便可制备无色透明的氮化硅纤维。本文针对热解工艺对纤维的影响进行了一系列研究,并利用XRD和FTIR对热解纤维的相组成和结构进行了表征:采用AES对热解纤维进行化学元素分析;通过SEM对纤维的断口及表面形貌进行观察;利用电子单纤维强力机对其拉伸强度进行测定。
研究发现,氮化硅纤维的强度和模量均随着热解温度的升高而逐渐增大;与仅仅在NH3中氨化热解的纤维相比,进一步在N2中热处理的纤维性能会有显著地提高;在1300℃热处理的Si3N4纤维的强度达到769.2MPa,模量为93.4GPa,而且此纤维仍属于非晶态。
从纤维表面形貌可以看到,四个温度下热解的纤维均比较致密,表面都很光滑,基本没有缺陷。但从纤维的断口形貌则可以发现700℃和900℃热解的纤维断面相对光滑,纤维的断裂源是表面缺陷造成的:而在1100℃和1300℃热解的纤维断面则呈现出河流状裂纹,仔细观察发现这是由纤维内部气孔所致。
与文献报道的Sinber纤维比较,本研究氮化的陶瓷纤维的力学性能尚有较大差距,具体原因仍有待于下一步详细的研究。此外,需要对整个反应过程及机理进行深入研究。