李紅彬，崔步鑫，吳迪，侯振華，關(guān)洋，王志義

（1.江西信達(dá)航科新材料科技有限公司，南昌330500；2.大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，大連116034；3.青島科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，青島266042；4.廣東四通集團(tuán)股份有限公司，潮州521011）

1 引言

隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，飛行器在經(jīng)受長(zhǎng)航時(shí)、高熱流、高馬赫數(shù)的氣流沖刷環(huán)境下，其殼體材料的耐雨蝕性、抗燒蝕性以及強(qiáng)度等性能變差，因此對(duì)飛行器殼體材料提出了更加嚴(yán)苛的要求。PCS易受熱，分子鏈中的硅氫鍵可以實(shí)現(xiàn)相互交聯(lián)，因而被廣泛應(yīng)用于SiC陶瓷、SiC基復(fù)合材料等的制備，聚碳硅烷和碳化硅纖維分別是重要的陶瓷基復(fù)合材料的前驅(qū)體和增強(qiáng)增韌材料。

SiC材料具有耐磨、耐腐蝕、抗氧化、耐高溫、電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最有發(fā)展前途的高性能材料之一［1，2］。目前，制備SiC材料最常用的是聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，并且PCS作為SiC的前驅(qū)體擁有較高的陶瓷產(chǎn)率［3］以及優(yōu)異的改性加工。

2 聚碳硅烷（PCS）性能

2.1 自交聯(lián)性

PCS理想結(jié)構(gòu)為線形或枝化結(jié)構(gòu)的分子鏈［4，5］，分子中含有Si-H鍵等能夠參與交聯(lián)反應(yīng)的活性基團(tuán)，因而具有良好的交聯(lián)性。

為提高聚碳硅烷熱解的陶瓷產(chǎn)率，在熱解前常以二乙烯基苯作為交聯(lián)劑，有效減少小分子物質(zhì)在熱解過程中的揮發(fā)，并且自交聯(lián)的過程中沒有氧的引入，熱解所得材料性能更加優(yōu)異。

2.2 可改性加工

聚碳硅烷因含有活性基團(tuán)便于進(jìn)行改性加工，如摻硼改性、摻鋁改性、摻鋯改性等［6～8］，熱解產(chǎn)物的性能也都有不同程度的提高。

3 聚碳硅烷的應(yīng)用

3.1 碳化硅纖維

SiC纖維具有高強(qiáng)度、低密度、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、防老化等優(yōu)良的性能，且與陶瓷基體的相容性良好，是陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)體材料不錯(cuò)的選擇［9］。

孫東飛等［10］以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）與聚碳硅烷（PCS）為原料，利用靜電紡絲法制得PCS/PVP復(fù)合纖維，通過空氣交聯(lián)，高溫下使用氬氣作為保護(hù)氣氛，并在500℃時(shí)進(jìn)行除碳，最終制得碳化硅纖維。結(jié)果表明，通過靜電紡絲所制得的碳化硅纖維質(zhì)量好，性能優(yōu)異。

3.2 纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料

Cf/SiC復(fù)合材料不僅具有優(yōu)良的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性，還具備碳化硅材料的抗氧化性。

簡(jiǎn)科等［11］以聚碳硅烷（PCS）/二乙烯基苯（DVB）為先驅(qū)體，采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備了3D-BCf/SiC復(fù)合材料。結(jié)果表明，裂解升溫速率的提高可以大大縮短制備周期，從而提高材料的力學(xué)性能。

鄭文偉等［12］以聚碳硅烷為先驅(qū)體，采用熱模壓輔助先驅(qū)體浸漬裂解工藝制備3D-BCf/SiC復(fù)合材料。結(jié)果表明，高溫?zé)崮狠o助的引入可以明顯提高材料的力學(xué)性能以及致密度。

3.3 涂層方面

3.3.1 抗氧化涂層（C纖維表面）

SiC與C/C復(fù)合材料具有相近的熱膨脹系數(shù)和良好的物理化學(xué)相容性，且在高溫氧化性氣氛下生成玻璃態(tài)的SiO2，從而阻止氧在復(fù)合材料中的進(jìn)一步侵入，是C/C復(fù)合材料中理想的涂層材料之一。

張義強(qiáng)等［13］以聚碳硅烷（PCS）為原料，用氬氣作為保護(hù)氣氛，通過先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法在不同溫度下得到熱解產(chǎn)物，并進(jìn)行了抗氧化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，先驅(qū)體裂解之后所得到的SiC氧化后得到的SiO2及材料中原有的SiO2使得其他熱解產(chǎn)物具有良好的抗氧化性。

3.3.2 抗激光燒蝕涂層

聚碳硅烷（PCS）在抗激光燒蝕領(lǐng)域的應(yīng)用主要是作為先驅(qū)體及粘接劑吸收激光能量后分解成SiC陶瓷，從而避免激光武器對(duì)飛行器的直接傷害。

李靜等［14］以有機(jī)硅樹脂、聚碳硅烷、玻璃粉和其他助劑料制備了抗燒蝕涂層。所研制涂層可以經(jīng)受3000℃氧乙炔焰4s燒蝕以及在531W/cm2激光功率密度下照射4s。

陶杰等［1］以聚碳硅烷、二乙烯基苯、無機(jī)填料為原料，在鋁合金基板上制備出聚碳硅烷復(fù)合涂層。結(jié)果表明，所制得涂層抗激光燒蝕性能優(yōu)異，添加的無機(jī)填料也起到了吸收激光能量的作用。

3.4 粘結(jié)劑

耐高溫及超高溫復(fù)合材料如SiC/SiC、抗氧化C/C等是目前航天飛行器殼體使用的重要材料，而實(shí)現(xiàn)基體粘接作用的粘結(jié)劑也成為了研究的焦點(diǎn)。

胡繼東等［15］以聚碳硅烷、無機(jī)填料以及其他助劑為原料制備出了高溫粘結(jié)劑。結(jié)果表明，所制得的粘結(jié)劑性能優(yōu)異，強(qiáng)度高、耐溫性能好，經(jīng)過高溫處理后平均粘結(jié)強(qiáng)度能達(dá)到23.4MPa。

3.5 空心陶瓷微球

空心玻璃微球（HGM）具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，其密度小、耐壓強(qiáng)度高，在塑料、涂料、炸藥、輕質(zhì)材料、武器防護(hù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

李婧等［16］以聚碳硅烷為原料，利用爐內(nèi)成球法在干凝膠爐中制備出SiC聚合物空心微球。結(jié)果表明，PCS成球性能良好，經(jīng)輻照后碳化的球殼仍具有良好的平整性。

3.6 其他應(yīng)用

謝凱等［17］以富碳低分子聚碳硅烷為原料，通過氣相反應(yīng)裂解法制備出Si-C-N復(fù)合微粉。所制得的微粉粒徑為30～50nm，含碳10%～30%，含氮4%～20%左右。

4 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)力學(xué)與電學(xué)性能優(yōu)異、耐高溫、抗氧化、抗激光燒蝕復(fù)合材料的要求越來越嚴(yán)格。通過科研工作者的實(shí)驗(yàn)以及實(shí)踐證明，SiC材料可以達(dá)到目前航空航天等尖端領(lǐng)域的要求。聚碳硅烷作為碳化硅的前驅(qū)體，其需求量將會(huì)越來越大，但由于目前市售聚碳硅烷價(jià)格昂貴，陶瓷產(chǎn)率偏低，嚴(yán)重拖慢了其工程化應(yīng)用的進(jìn)度。因此，還應(yīng)加大投入，優(yōu)化聚碳硅烷生產(chǎn)工藝，提高陶瓷產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)國家航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展。