聚碳硅烷应用的研究进展

随着航空航天技术的不断发展，飞行器在经受长航时、高热流、高马赫数的气流冲刷环境下，其壳体材料的耐雨蚀性、抗烧蚀性以及强度等性能变差，因此对飞行器壳体材料提出了更加严苛的要 求。PCS 易受热，分子链中的硅氢键可以实现相互交联，因而被广泛应用于 SiC 陶瓷、SiC 基复合材料等的制备，聚碳硅烷和碳化硅纤维分别是重要的陶瓷基复合材料的前驱体和增强增韧材料。SiC 材料具有耐磨、耐腐蚀、抗氧化、耐高温、电导率高等优点，成为目前最有发展前途的高性能 材料之一。目前，制备 SiC 材料最常用的是聚合物先驱体转化法，并且 PCS 作为 SiC 的前驱体拥有较高的陶瓷产率以及优异的改性加工。

液态聚碳硅烷（左）与固态聚碳硅烷（右）

来源：中科院宁波材料所

聚碳硅烷（PCS）性能

（1）自交联性

PCS 理想结构为线形或枝化结构的分子链，分子中含有 Si－H 键等能够参与交联反应的活性基团，因而具有良好的交联性。为提高聚碳硅烷热解的陶瓷产率，在热解前常以二乙烯基苯作为交联剂，有效减少小分子物质在 热解过程中的挥发，并且自交联的过程中没有氧的引入，热解所得材料性能更加优异。

（2）可改性加工

聚碳硅烷因含有活性基团便于进行改性加工， 如掺硼改性、掺铝改性、掺锆改性等，热解产物的性能也都有不同程度的提高。

聚碳硅烷的应用

（1）碳化硅纤维

SiC 纤维具有高强度、低密度、耐高温、抗氧化、 耐腐蚀、防老化等优良的性能，且与陶瓷基体的相容性良好，是陶瓷基复合材料增强体材料不错的选择。孙东飞等以聚乙烯吡咯烷酮 （PVP）与聚碳硅烷 （PCS）为原料，利用静电纺丝法制得 PCS/ PVP 复合纤维，通过空气交联，高温下使用氩气作为保护气氛，并在 500℃时进行除碳，最终制得碳化硅纤维。结果表明，通过静电纺丝所制得的碳化硅纤维质量好，性能优异。

碳化硅纤维

来源：湖南泽睿新材料有限公司

（2）纤维增强碳化硅复合材料

Cf/SiC 复合材料不仅具有优良的力学性能、高 温稳定性，还具备碳化硅材料的抗氧化性。简科等以聚碳硅烷（PCS）/二乙烯基苯（DVB）为先驱体，采用先驱体转化法制备了 3D－BCf/SiC 复合材料。结果表明，裂解升温速率的提高可以大大缩短制备周期，从而提高材料的力学性能。郑文伟等以聚碳硅烷为先驱体，采用热模压辅助先驱体浸渍裂解工艺制备 3D－BCf/SiC 复合材料。结果表明，高温热模压辅助的引入可以明显提高材料的力学性能以及致密度。

（3）涂层方面 

抗氧化涂层（C 纤维表面）

SiC 与 C／C 复合材料具有相近的热膨胀系数和良好的物理化学相容性，且在高温氧化性气氛下生成玻璃态的 SiO2，从而阻止氧在复合材料中的进一 步侵入，是 C／C 复合材料中理想的涂层材料之一。 

张义强等以聚碳硅烷（PCS）为原料，用氩气作为保护气氛，通过先驱体转化法在不同温度下得到热解产物，并进行了抗氧化实验。结果表明，先驱体裂解之后所得到的 SiC 氧化后得到的 SiO2 及材料中原有的 SiO2 使得其他热解产物具有良好的抗氧化性。 

抗激光烧蚀涂层

聚碳硅烷（PCS）在抗激光烧蚀领域的应用主要是作为先驱体及粘接剂吸收激光能量后分解成 SiC 陶瓷，从而避免激光武器对飞行器的直接伤害。李静等以有机硅树脂、聚碳硅烷、玻璃粉和其他助剂料制备了抗烧蚀涂层。所研制涂层可以经受 3000℃氧乙炔焰 4s 烧蚀以及在 531W/cm2 激光功率密度下照射 4s。

陶杰等以聚碳硅烷、二乙烯基苯、无机填料 为原料，在铝合金基板上制备出聚碳硅烷复合涂层。结果表明，所制得涂层抗激光烧蚀性能优异，添加的无机填料也起到了吸收激光能量的作用。

（4）粘结剂

耐高温及超高温复合材料如SiC/SiC、抗氧化 C/C 等是目前航天飞行器壳体使用的重要材料，而实现基体粘接作用的粘结剂也成为了研究的焦点。胡继东等以聚碳硅烷、无机填料以及其他助剂为原料制备出了高温粘结剂。结果表明，所制得的粘结剂性能优异，强度高、耐温性能好，经过高温处理后平均粘结强度能达到 23.4MPa。

（5）空心陶瓷微球 

空心玻璃微球（HGM）具有良好的化学稳定性 和热稳定性，其密度小、耐压强度高，在塑料、涂 料、炸药、轻质材料、武器防护等领域具有广泛的应用。李婧等以聚碳硅烷为原料，利用炉内成球法在干凝胶炉中制备出 SiC 聚合物空心微球。结果表明，PCS 成球性能良好，经辐照后碳化的球壳仍具有良好的平整性。

（6）其他应用 

谢凯等以富碳低分子聚碳硅烷为原料，通过气相反应裂解法制备出 Si－C－N 复合微粉。所制得的微粉粒径为 30～50nm，含碳 10％～30％，含氮 4％～20％左右。

结论

随着科学技术的不断发展，对力学与电学性能优异、耐高温、抗氧化、抗激光烧蚀复合材料的要求越来越严格。通过科研工作者的实验以及实践证明，SiC 材料可以达到目前航空航天等尖端领域的要求。聚碳硅烷作为碳化硅的前驱体，其需求量将会越来越大，但由于目前市售聚碳硅烷价格昂贵，陶瓷产率偏低，严重拖慢了其工程化应用的进度。因此，还应加大投入，优化聚碳硅烷生产工艺， 提高陶瓷产率，降低生产成本，推动国家航空航天等领域的发展。

参考资料：《聚碳硅烷应用的研究进展》

为了解更多关于碳化硅陶瓷前驱体——聚碳硅烷方面的最新技术与应用进展，“第六届国际碳材料大会暨产业展览会——碳化硅陶瓷论坛”特邀中科院宁波材料所 裴学良副研究员与大家分享《碳化硅陶瓷前驱体聚碳硅烷制备与应用》。