聚碳硅烷應用的研究進展

李紅彬，崔步鑫，吳迪，侯振華，關洋，王志義

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

1 引言

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

SiC材料具有耐磨、耐腐蝕、抗氧化、耐高溫、電導率高等優(yōu)點，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體轉化法，并且PCS作為SiC的前驅體擁有較高的陶瓷產率［3］以及優(yōu)異的改性加工。

2 聚碳硅烷（PCS）性能

2.1 自交聯性

PCS理想結構為線形或枝化結構的分子鏈［4，5］，分子中含有Si-H鍵等能夠參與交聯反應的活性基團，因而具有良好的交聯性。

為提高聚碳硅烷熱解的陶瓷產率，在熱解前常以二乙烯基苯作為交聯劑，有效減少小分子物質在熱解過程中的揮發(fā)，并且自交聯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便于進行改性加工，如摻硼改性、摻鋁改性、摻鋯改性等［6～8］，熱解產物的性能也都有不同程度的提高。

3 聚碳硅烷的應用

3.1 碳化硅纖維

SiC纖維具有高強度、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，是陶瓷基復合材料增強體材料不錯的選擇［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復合纖維，通過空氣交聯，高溫下使用氬氣作為保護氣氛，并在500℃時進行除碳，最終制得碳化硅纖維。結果表明，通過靜電紡絲所制得的碳化硅纖維質量好，性能優(yōu)異。

3.2 纖維增強碳化硅復合材料

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

簡科等［11］以聚碳硅烷（PCS）/二乙烯基苯（DVB）為先驅體，采用先驅體轉化法制備了3D-BCf/SiC復合材料。結果表明，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性能。

鄭文偉等［12］以聚碳硅烷為先驅體，采用熱模壓輔助先驅體浸漬裂解工藝制備3D-BCf/SiC復合材料。結果表明，高溫熱模壓輔助的引入可以明顯提高材料的力學性能以及致密度。

3.3 涂層方面

3.3.1 抗氧化涂層（C纖維表面）

SiC與C/C復合材料具有相近的熱膨脹系數和良好的物理化學相容性，且在高溫氧化性氣氛下生成玻璃態(tài)的SiO2，從而阻止氧在復合材料中的進一步侵入，是C/C復合材料中理想的涂層材料之一。

張義強等［13］以聚碳硅烷（PCS）為原料，用氬氣作為保護氣氛，通過先驅體轉化法在不同溫度下得到熱解產物，并進行了抗氧化實驗。結果表明，先驅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）在抗激光燒蝕領域的應用主要是作為先驅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飛行器的直接傷害。

李靜等［14］以有機硅樹脂、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、無機填料為原料，在鋁合金基板上制備出聚碳硅烷復合涂層。結果表明，所制得涂層抗激光燒蝕性能優(yōu)異，添加的無機填料也起到了吸收激光能量的作用。

3.4 粘結劑

耐高溫及超高溫復合材料如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，而實現基體粘接作用的粘結劑也成為了研究的焦點。

胡繼東等［15］以聚碳硅烷、無機填料以及其他助劑為原料制備出了高溫粘結劑。結果表明，所制得的粘結劑性能優(yōu)異，強度高、耐溫性能好，經過高溫處理后平均粘結強度能達到23.4MPa。

3.5 空心陶瓷微球

空心玻璃微球（HGM）具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，其密度小、耐壓強度高，在塑料、涂料、炸藥、輕質材料、武器防護等領域具有廣泛的應用。

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

3.6 其他應用

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

4 結論

隨著科學技術的不斷發(fā)展，對力學與電學性能優(yōu)異、耐高溫、抗氧化、抗激光燒蝕復合材料的要求越來越嚴格。通過科研工作者的實驗以及實踐證明，SiC材料可以達到目前航空航天等尖端領域的要求。聚碳硅烷作為碳化硅的前驅體，其需求量將會越來越大，但由于目前市售聚碳硅烷價格昂貴，陶瓷產率偏低，嚴重拖慢了其工程化應用的進度。因此，還應加大投入，優(yōu)化聚碳硅烷生產工藝，提高陶瓷產率，降低生產成本，推動國家航空航天等領域的發(fā)展。