STPd0002導電性TRF纖維及其復合材料
時間:2005-08-23
1. 國內(nèi)外現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢： 聚鈦碳硅烷高分子（以下簡稱PTC）是由Ti、Si、C元素組成的交聯(lián)型金屬有機高分子，是合成Ti-Si-C-O纖維（以下簡稱TRF）的前驅(qū)體。TRF是繼玻璃纖維、炭纖維、鋁纖維、硼纖維、SiC纖維等復合材料增強纖維之后，新開發(fā)的一種在性能和功能化方面最優(yōu)異的復合材料增強纖維。對于這種高性能纖維，美、日、加、德等工業(yè)發(fā)達國家，從80年代末開始，競相大力開展研究，89年以后之方面的論文不斷增加。但目前的研究工作，仍停留在合成方法、工藝條件及性能方面，在前驅(qū)體高分子有其纖維的制備上，已完成實驗室規(guī)模的工作，對于TRF的各種性能已發(fā)表了較為一致的數(shù)據(jù)。今后的研究方向?qū)⑹荰RF增強復合材料的制備及其應用。國內(nèi)對TRF的研究，尚未見報導。
2.開發(fā)目的、意義： Ti-Si-C-O纖維具有高強度、低密度、耐高溫、有導電性、結(jié)節(jié)強度大、對金屬、塑料反應小、濕潤性好等一系列優(yōu)異特性，由它可制備高性能樹脂基或金屬基的復合材料。這種復合材料兼?zhèn)淞烁邚姸取⑤p質(zhì)、耐高溫、抗電磁波干擾（通過調(diào)節(jié)電導度，實現(xiàn)對一定波長電磁波的吸收或透過）等綜合性能。因而它是高技術(shù)宇航工業(yè)、汽車工業(yè)、通訊設(shè)備、計算機工業(yè)、甚至于體育用品（如跳桿）、高檔家用設(shè)備等的零部件、結(jié)構(gòu)材料、殼體等尖端設(shè)備的最佳選料。
技術(shù)特點與技術(shù)指標
1.前驅(qū)體聚鈦碳硅烷高分子（PTC）的合成（關(guān)鍵技術(shù)）： （1）技術(shù)目標達到 ：分子量Mw>10,000;轉(zhuǎn)化率＞50%.
（2）技術(shù)特征及創(chuàng)新之處： 本項目擬根據(jù)聚硅烷高分子的紫外光解速度快的特征（已研究并鑒定），采用光解──交聯(lián)的方法，有利于提高轉(zhuǎn)化率和分子量。
（3）分子組成與纖維性能（導電率、強度）的關(guān)系（關(guān)鍵技術(shù)）： 通過合成條件的控制，研究鈦酸酯與Si-H鍵的縮合架橋反應動力學；進而研究Ti含量與纖維性能的關(guān)系，為纖維的性能設(shè)計打下了基礎(chǔ)。
2. PTC的熔融紡絲及不融化處理： 利用自制的單根紡絲設(shè)備，紡絲的同時，在熱氧條件下，利用空氣中的氧使紡絲表面交聯(lián)，以達到在1000℃下不融的目的，為TRF的高溫燒結(jié)制備準備原料。技術(shù)特征是熔融紡絲的同時，利用紫外光照，以加快硅烷鏈分解而產(chǎn)生游離基的速度，促進交聯(lián)作用（即不融化過程）的進行。 3.紡絲的熱轉(zhuǎn)化及性能研究： （1）在1000~1500℃的高溫下，在N2氣中連續(xù)處理紡絲，則紡絲轉(zhuǎn)化為Ti-Si-C-O纖維；研究轉(zhuǎn)化溫度、時間與纖維性能的關(guān)系。 （2）性能研究：纖維的組成、結(jié)晶性與導電率、抗張強度、形變、表面特性等的關(guān)系，以達到指導合成，制備出上述技術(shù)指標的產(chǎn)品。
4.TRF復合材料的探索研究： 探索新型樹脂基和金屬基復合材料的有關(guān)理論：強度的優(yōu)化設(shè)計計算；復合界面特性及表征。根據(jù)市場需求，同時完成復合材料的開發(fā)和應用研究。 本項目將達到目前國際最先進水平，即： (1)纖維的耐溫性：>1400℃（一般常規(guī)炭纖維600℃，SiC纖維在1100℃時強度消失）； (2)纖維直徑（長纖維）：8~12微米； (3)抗張強度：約3.0Gpa； (4)密度：2.3~2.4g/cm3； (5)熱膨脹系數(shù)：~3.1×10-6/℃（軸、徑兩方向幾乎相同）； (6)結(jié)節(jié)強度：與炭纖維相同，適于各種復雜編織； (7)導電性：比電阻10,000,000～0.1Ω.cm（根據(jù)需要，通過調(diào)節(jié)組成和條件在絕緣體、半導體、導體范圍選擇） 由TRF的主要性能參數(shù)可見，其綜合性能優(yōu)于目前各種纖維。由TRF增強的TRF/樹脂復合材料，具有耐高溫、輕質(zhì)化、耐老化、高強度、抗電磁波干擾的特征；TRF/AL復合材料（Vf≈50%），同樣具有輕質(zhì)、高強、耐高溫的特點，復合時反應性小、濕潤性好、機械性能達到：抗曲強度150 kg/c㎡ (0度方向)和35 kg/c㎡（90 度方向），抗拉強度110kg/c㎡,并在300℃的高溫下維持其強度不變，表明這種材料的抗疲勞、壓縮、沖擊等特性均為優(yōu)異。
三、市場預測 TRF復合材料在諸如汽車、飛機等工業(yè)中所需的輕質(zhì)、高強、耐高溫的部件、殼體；通迅設(shè)備、計算機設(shè)備中所需的輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)形材；抗電磁波干擾殼體等領(lǐng)域中；將有廣泛的應用前景，彌補國內(nèi)空白。工業(yè)化生產(chǎn)后，其成本將低于炭纖維，而性能卻更優(yōu)異，其經(jīng)濟效益將是可觀的。
