Badania nad wykorzystaniem polimerów polisiloksanowych do wytwarzania kompozytów ceramicznych o zbrojeniu włóknistym

Abstract

Celem pracy było opracowanie nowego materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej, powstałej w wyniku pirolitycznej konwersji polimeru polisiloksanowego, którego elementem wzmacniającym były włókna węglowe. W doświadczeniach wykorzystano cztery rodzaje żywic polisiloksanowych, które różniły się między sobą stosunkiem molowym węgla do krzemu i zawartością tlenu. Określono mechanizm konwersji czystych żywic polisiloksanowych do struktury węglikowej oraz mechanizm przetwarzania tych żywic w obecności włókien węglowych. Doświadczenia prowadzono w trzech zakresach temperaturowych, odpowiadających etapom technologicznym wytwarzania kompozytów, tzn. fazie formowania i sieciowania kompozytów, obróbki termicznej do 1000°C i fazy końcowej tworzenia się osnowy ceramicznej w zakresie temperatur 1000-1700°C. W badaniach nad czystymi prekursorami wykazano, że w skład pozostałości ceramicznej po procesie obróbki termicznej czystych żywic do 1000°C wchodzą oksywęglik krzemu o strukturze bezpostaciowej oraz wolny węgiel o nieuporządkowanej strukturze turbostratycznej. Wolny węgiel tworzy się w próbkach ceramicznych otrzymanych z żywic o stosunku molowum C/Si powyżej jedności. Rozkład badanych żywic w temperaturze powyżej 1000°C zachodzi zarówno w fazie stałej jak i poprzez fazę gazową. W wyniku dalszej obróbki termicznej powstaje pozostałość ceramiczna oraz produkty gazowe zawierające krzem. W wyniku reakcji karbotermicznej redukcji lotne produkty krystalizują na chłodniejszych ściankach reaktora twprząc SiC, a także powstają drobne wydzielenia krystaliczne słabo związane ze stała pozostałością ceramiczną. W temperaturze 1700°C krystalizuje węglik krzemu typu 3C i 2H o nanometrycznych rozmiarach krystalitów. W badaniach nad kompozytami wykazano, że mechanizm rozkładu badanych żywic do temperatury 1000°C jest taki sam w obecności włókien węglowych jak i bez włókien. Obecność włókien węglowych powoduje zwiększenie rozwinięcia powierzchni osnowy i zwiększa intensywność reakcji rozkładu do 1700°C - proces przebiega z tworzeniem się produktów gazowych, co zwiększa straty masy osnowy kompozytowej i powoduje powstanie silnie porowatej mikrostruktury kompozytu, zawierającej nanowłókna węglika krzemu. Z uwagi na obecność na granicy faz włókno-osnowa warstwy ochronnej z węglika krzemu, powstałej w trakcie obróbki termicznej kompozytu, otrzymane kompozyty C/SiC charakteryzują się stosunkowo dużą porpwatością oraz dużą odpornością na utlenianie. Proces wielokrotnego dosycania porowatej osnowy polimerem polisiloksanowym i dodatkowa obróbka termiczna prowadzą do poprawienia właściwości mechanicznych i odporności na utlenianie kompozytów.