轴向结构正弦式渐变型先驱体陶瓷纤维的非常规电、热性能研究

Functionally graded materials (FGMs), which integrate two or more constituent phases with a continuously variable composition, are recognized as the most promising candidates to result remarkable functional properties. Most of natural and synthetic fibers are more or less innate gradient along the radial direction. But, as real FGMs, the continuous fibers with gradient structure and properties in the axial direction will be more attractive. However，it is almost impossible to make axial graded fibers directly from spinning..In our previous work, we designed a simple process by which graded fibers with sinusoidal electrical resistivity in the axial direction can be directly prepared through the preceramic polymer pyrolysis route. These axial graded polymer derived fibers show excellent wide frequency absorbing properties. .In this program, we intend to study the influence of axial graded structure on the electrical and thermal conductivity of the polymer derived fibers. Base on the study, the fluctuating structure and properties of the axial graded polymer derived fibers can be tailored to meet different requirements. These in turn may enable electronic junction structure and unidirectional transmission materials for electrical or thermal applications. This line of research could eventually lead to the development of new serials of functional fibers with non-traditional functionalities. Moreover, the conductive mechanism study in this program is also useful for fundamental and applied research in the area of polymer derived ceramics.

梯度结构是实现材料功能化的有效手段。大部分纤维都具有与生俱来的径向梯度结构。其实，真正的梯度纤维应是组成结构沿轴向逐渐变化的。但采用传统纤维制备工艺很难获得轴向结构梯度渐变的纤维材料。.本课题组前期采用先驱体转化法成功制备出结构沿轴向正弦式渐变的陶瓷纤维。这种具有明显各向异性的周期性梯度结构在概念和具体实施方面均具有原创性，并在电磁波吸收方面表现优异。本项目拟对这类轴向梯度纤维的导电、传热性能进行深入研究，探讨其电热传导机理及其周期性渐变结构对热传导、电磁场等具有波动特性的物理效应的响应，并以此为依据探索其在导电、传热领域的应用。本项目的实施有望开发出一类具有全新结构和功能的纤维，其结构特征和制备理念对于其他功能型纤维的开发具有一定借鉴意义。此外，项目中对于连续先驱体无机和陶瓷纤维传导机理的研究是对该领域现有理论的补充和进一步扩展，对于拓宽先驱体陶瓷的应用领域具有重要的基础性意义。

先驱体转化法制备的陶瓷纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、低密度等优异性能，是高温高强复合材料的关键增强材料。近年来，开发新型功能陶瓷纤维成为无机纤维研制的另一热点。.本研究首先采用一步恒速烧成和两步恒速烧成制备出电阻率在10-1~106 Ω∙cm之间连续变化的一系列SiC纤维。通过结构分析测试发现，一步恒速烧成所得I-SiC纤维的表面存在约5 ~ 50 nm厚的碳层，纤维电阻率随碳层增厚而降低，该碳层是I-SiC纤维的主要导电相。I-SiC纤维的导电行为符合“壳-芯”结构的特点，根据此模型计算出I-SiC纤维表面碳层的电阻率约为10-2 Ω∙cm。两步恒速烧成模式下制备的II-SiC纤维由于缺少表面碳层作为导电相，因此纤维电阻率比I-SiC纤维要高。游离碳是II-SiC纤维中的主要导电相，它通过一种逾渗作用决定了纤维的导电性能。II-SiC纤维的导电行为可用综合有效介质理论来描述，根据此模型计算得到的II-SiC纤维内部游离碳的电阻率约为10-1 Ω‧cm，其逾渗阈值在11.3%左右。基于上述研究，结合制备工艺的优化，稳定制备出渐变周期在10~20 cm，电阻率波动范围在10-1~106 Ω∙cm之间，波动幅度为101~104Ω∙cm的一系列SiC纤维。用它们作为吸波介质制备了两种吸波板，其最大反射衰减分别为-26.3 dB和-23.5 dB，反射衰减低于-10 dB的频宽分别为7.7 GHz和11.6 GHz。.此外，项目组成员还对SiC纳米线在强场作用下的电子发射特性进行了研究，发现以SiC纳米线为基础的阴极在电场强度90kV/cm时的电流密度可达1.2kA/cm2。与此同时，我们用先驱体转化法制备了组成结构可调的硼碳氮纳米纤维，该纤维禁带宽度在2.7~3.2 eV内可调，具有较好的光催化性能。.本课题将功能梯度材料的设计思想与结构控制理论引入到先驱体陶瓷纤维的制备中，研制了轴向电阻率周期性梯度变化的SiC纤维，以及组成结构可调的SiC纳米线和硼碳氮纤维，并探索了它们在宽频结构吸波材料、强场电子发射材料以及纳米光催化材料领域的应用。项目的研究成果对于功能型陶瓷纤维的开发具有很强借鉴意义，对于拓宽先驱体陶瓷的应用领域也具有重要的基础性意义。

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