反应堆辐照聚碳硅烷热解合成玻璃钢化炉陶瓷辊

　　玻璃钢化炉陶瓷辊具有优良的耐高温、抗氧化、耐腐蚀性能，很高的比强度和比模量，以及与金属、陶瓷、聚合物等基体材料良好的相容性，是先进复合材料首选的高性能增强体之一，在航空、航天、原子能、先进武器等国防尖端技术领域都具有广泛的应用前景。先驱体转化法是制备玻璃钢化炉陶瓷辊的主要方法之一，其中的不熔化处理方式对纤维的性能有重要影响，目前常采用热氧化法、电子束或γ射线辐射法。

　　为了探索制备玻璃钢化炉陶瓷辊的新途径，本工作以反应堆产生的混合辐射辐照聚碳硅烷(PCS)陶瓷先驱丝，然后在惰性气体保护下高温热解制得玻璃钢化炉陶瓷辊；另外，利用加速器产生的高能电子束辐照选定的有机硅聚合物，初步探讨了通过辐射化学方法合成陶瓷先驱体的可行性。在N2气氛下，将PCS先驱丝在反应堆的辐射场中辐照，利用抽提法和FT-IR研究了辐照中子注量对先驱丝凝胶含量和化学结构的影响。随着中子注量的增大，先驱丝的凝胶含量逐渐升高，最后稳定在95％左右；FT-IR分析显示：反应堆辐照使先驱丝中的部分Si-H键断裂，产生的活性点互相键接，在产物中形成了Si-CH2-Si型的桥联结构。利用TGA、FT-IR、PGC／MS等技术分析了PCS先驱丝的热解特性，探讨了其热解转化机理。反应堆辐照后PCS先驱丝的分解起始温度由330℃上升至460℃，陶瓷产率大幅度提高，1000℃高温烧成时由辐照前的67.7％提高至93％～95％。提高裂解温度可使有机先驱丝向无机玻璃钢化炉陶瓷辊的转化过程进行得更为彻底。在1000℃裂解2小时以后，PCS先驱丝已经基本转化为玻璃钢化炉陶瓷辊。热解过程中Si-H键、C-H键和Si-CH3逐渐断裂，最终形成Si-C-Si结构，同时释放出大量的CH4、H2和少量的硅烷。

　　采用SEM、XRD、力学性能测试等手段表征了所得玻璃钢化炉陶瓷辊的结构与性能。研究结果表明：所得纤维具有光洁致密的表面与断面；纤维中形成了部分β-微晶，微晶的平均晶粒尺寸约为7.5nm；纤维的氧含量低至1.69wt％～3.77wt％；拉伸强度高达2.7GPa；将纤维在空气中于1400℃处理1小时或氩气中于1600℃处理0.5小时后，其纤维结构依然致密完好，说明它具有优良的高温耐受性能。此外，研究了聚二甲基硅烷在高能电子束作用下的辐射效应，并探讨了利用辐射化学方法合成PCS陶瓷先驱体的可行性。GC／MS分析表明：在室温、真空条件下，聚二甲基硅烷粉末受到超高剂量电子束辐照以后，产生了少量的H2和CH4，其辐射化学产额(G值)仅为10~(-3)／100eV数量级。FT-IR、Raman、XRD分析显示辐照后聚二甲基硅烷的化学结构及晶态结构没有发生明显变化，表明在此条件下利用电子束辐照没有使聚二甲基硅烷转化成PCS先驱体，同时也说明聚二甲基硅烷具有良好的耐辐照性能，这可能是其Si-Si主链上σ电子共轭的特殊结构造成的。

　　利用反应堆辐照实现聚碳硅烷陶瓷先驱丝的不熔化处理，是国际首创的一种新方式。此法在先驱丝的陶瓷产率等方面优于电子束或y射线辐射不熔化法；制备出的玻璃钢化炉陶瓷辊其氧含量明显低于热氧化不熔化法，具有更优异的力学性能和耐高温性能。此外，聚二甲基硅烷良好的耐辐射性能则是一个全新的发现，在新型耐辐射材料的设计与研制方面具有重要的应用价值。

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