碳化硅（SiC）纳米纤维在隐形材料领域备受青睐。用这种纤维可研制一种容器遮蔽核磁共振扫描仪干扰；可建隐形罩以避免障碍物阻挡手机信号；医生手术所戴的手套使用“隐形”技术不会挡住需要手术的部位；飞机驾驶舱的底部穿上“隐形衣”着陆时驾驶员就能很清楚地看到地面跑道。

　　□ 作者：曾祥福

　　（毕业于天津工业大学非织造材料与工程专业；现任南京苏美达集团公司销售助理）

　　指导老师：庄旭品（天津工业大学纺织学部副教授）

　　作者的话

　　碳化硅（SiC）不仅耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高，而且吸波性能好。常规制作出的碳化硅不能直接作为吸收剂使用，必须对其作进一步的处理，以便使其获得一定的吸波性能。本课题研究了一种使用前躯体法制备SiC纳米纤维的工艺，先通过溶液喷射纺丝新工艺制备PCS纳米纤维，再通过预氧化（不熔化处理）和碳化得到SiC纳米纤维；纺丝使用的原料是聚碳硅烷（PCS），以PLA作为纺丝助剂，溶剂使用四氢呋喃（THF）和1，4-二氧六环，通过改变各项工艺参数及纺丝液配比，确定纺丝液的最佳配比及纺丝的最佳工艺；后期通过红外、XRD、DSC等测试结果对产品进行分析。

　　实验操作得出关键数据

　　碳化硅（SiC）纤维是具有高抗拉强度、高抗蠕变性能、高抗氧化性能以及耐高温的一种新型陶瓷纤维，在航空、航天和原子能等领域具有良好的前景。结构吸波材料作为雷达吸波材料的一个重要分支，倍受关注。用轻质、高强高模、耐高温氧化且具备良好吸波性能的纤维，作为结构吸波材料的吸收剂和增强剂，是当前吸波材料的重要研究方向之一。SiC纳米纤维由于其优异的性能使其在隐形材料领域备受青睐。

　　隐形材料可用来控制光线及物体周围其他电磁射线，让这些光线和射线给人“隐身”的感觉，就像是隐藏在太空的黑洞里一样。隐形技术在军用和民用方面的前景很广阔。例如，可研制一种容器遮蔽核磁共振扫描仪干扰；可建隐形罩以避免障碍物阻挡手机信号。医生手术所戴的手套使用“隐形”技术，医生动手术的手就会变得“透明”，不会挡住需要手术的部位。飞机驾驶舱的底部“穿”上“隐形衣”，飞机着陆时，驾驶员就能很清楚地看到地面跑道的情况，着陆时更安全。

　　实验操作得出关键数据

　　实验仪器：聚碳硅烷（PCS），生产厂家为苏州赛力菲陶瓷纤维有限公司；聚乳酸（PLA），生产厂家为海宁新能纺织有限公司；四氢呋喃（THF），生产厂家为天津市化学试剂三厂；1,4-二氧六环，生产厂家为天津市光复科技发展有限公司。

　　实验原料：多翼低噪声离心式通风机DDT9-56-12NO2.5，生产厂家为上海洲洲机电有限公司；差式扫描热量仪DSC7，生产厂家为美国PERKIN ELMER公司；场发射扫描镜Hitachi S-4800，生产厂家为日本日立公司；旋转式粘度计NQJ-79，生产厂家为同济大学机电厂。

　　本实验用聚碳硅烷（PCS）作为原料，使用聚乳酸（PLA）作为纺丝助剂，使用1,4-二氧六环和THF的混合溶剂，为确定最佳配比的溶剂，分别配制20ml溶剂为1,4-二氧六环和THF比例为0∶1、1∶3、1∶1、2∶1、3∶1、17∶3、1:0的纺丝液，同时选定PLA和PCS的质量分数为5%。由此，得到的纺丝液通过溶液喷射法分别纺丝，观察不同溶剂配比纺丝液的纺丝性能及纤维形态结构。　　

　　具体实验步骤如下：取7只125ml的磨口玻璃瓶，2只量筒，转子若干，洗净烘干；计算并称量配制5%质量分数PLA和PCS的质量；按照不同比例量取溶剂，分别倒入玻璃瓶，将PLA倒入玻璃瓶，放入转子，将玻璃瓶密封并固定于水浴搅拌加热锅中，设定温度50℃并搅拌；待PLA全部溶解，再将PCS加入玻璃瓶中，待PCS全部溶解，即得到不同溶剂配比的纺丝液。

　　通过将不同溶剂纺丝液纺丝并观察，确定1,4-二氧六环和THF比例为2∶1时得到的纤维形态良好且直径分布均匀。由于PLA分子量大，纺丝液PLA含量直接影响纺丝液粘度，于是通过改变纺丝液中PLA的量得到不同粘度纺丝液。

　　分别配制PLA质量分数为2%、3%、4%、5%、7%、9%、11%的纺丝液，具体实验步骤如下：取7只125ml的磨口玻璃瓶，2只量筒，转子若干，洗净烘干；计算并称量配制PLA质量分数为2%、3%、4%、5%、7%、9%、11%，PCS质量分数为5%的纺丝液所需PLA和PCS；量取13.3ml的1,4-二氧六环和6.7ml的THF分别加入到7只磨口玻璃瓶中，加入PLA，放入转子，将玻璃瓶密封并固定于水浴搅拌加热锅中，设定温度50℃并搅拌；待PLA全部溶解，再将PCS加入到玻璃瓶中，待PCS全部溶解，即得到不同粘度的纺丝液。

　　使用旋转式粘度计测定不同PLA含量纺丝液的粘度。分别将各纺丝液倒入外筒里同轴地安装内筒,其间充满粘性流体,同步电机以稳定的速度旋转,接连刻度圆盘,再通过游丝和转轴带动内筒旋转, 内筒即受到基于流体的粘性力矩的作用，作用越大, 则游丝与之相抗衡而产生的扭矩也越大,于是指针在刻度盘上指示的刻度也就越大。将读数乘以特定的系数即得到液体的动力粘度。

　　通过对不同粘度纺丝液的纺丝性能比较，可确定适合纺丝的最佳粘度。接下来改变PCS质量分数，可以在保证纺丝液在可纺性能的情况下，提高所得纤维中PCS的含量，从而提升材料的性能。

　　分别配制PCS质量分数为3%、5%、7%、9%、11%的纺丝液，具体实验步骤如下：取5只125ml磨口玻璃瓶，2只量筒，转子若干，洗净烘干；计算并称量配制PLA质量分数为5%，PCS质量分数为3%、5%、7%、9%、11%的纺丝液所需PLA和PCS的质量；量取13.3ml的1,4-二氧六环和6.7ml的THF分别加入到5只磨口玻璃瓶中，加入PLA，放入转子，将玻璃瓶密封并固定于水浴搅拌加热锅中，设定温度50℃并搅拌；待PLA全部溶解，再分别将PCS加入到玻璃瓶中，待PCS全部溶解，即得到不同PCS含量的纺丝液。

　　数据分析确定最佳工艺

　　溶液喷射纺丝工艺是将聚合物溶液通过蠕动泵挤出到喷头处，再受到高速气流牵伸形成长丝的过程，纤维进入纺丝箱体以后溶剂的挥发性能对纤维的形态有很大影响，所以选择溶剂时需要考虑溶剂对聚合物的溶解性能、溶剂本身挥发性能等因素。

　　从上表分析可知，纺丝液中1,4,-二氧六环含量增加时，纺丝状态逐渐改善，这是由于相比THF，1,4二氧六环熔点高，不会快速挥发，从而针头不发生堵塞。

　　从上图分析，a是纯THF纺制的纤维电镜图，纤维形状不规则，同时直径较粗，这是由于THF挥发极快，溶液细流在纺丝时，还没有得到充分的牵伸就已经固化成形；随着1,4-二氧六环的加入，纺丝液的可纺性提高，从b到d是在纯THF中加入1,4-二氧六环后得到的纤维，从电镜图可知，纤维状态良好，这是由于1,4-二氧六环的加入会降低溶液的挥发性，溶液细流在纺丝的过程中能得到充分的拉伸细化；从e到f是再提高1,4-二氧六环的比例后得到的纤维形态，从电镜图上可看出，纤维形态并没有大的改善，而且在PCS的溶解过程中，得到的纺丝液变得浑浊；用纯1,4-二氧六环作溶剂得到的纺丝液浑浊，但部分PCS并没有溶解于溶剂中，g纺丝得到的纤维SEM图，纤维状态良好，分布均匀。综合分析，使用选择1,4-二氧六环和四氢呋喃体积比为2∶1的混合溶剂作为本课题的溶剂。

　　对于溶液喷射纺丝工艺而言，纺丝液的粘度对纺丝性能有至关重要的影响。当聚合物粘度太低时，遇到气流时由于成纤性能差牵伸不均匀，不能得到纤维；当纺丝液粘度过大时，难得到长丝形态的纤维。

　　本实验课题使用的助剂是PLA，由于PLA分子量大，PLA在纺丝液中的含量会很大程度影响体系粘度。本次实验是通过设定PLA在体系中的质量分数分别为2%、3%、4%、5%、7%、9%、11%，得到了不同粘度的纺丝液，从而确定最佳的纺丝粘度。

　　从上图可知，随着PLA质量分数提高，纺丝液粘度增加，当达到9%时，粘度剧增，且此时已很难纺丝。下表是不同粘度纺丝液的纺丝状态表，PLA浓度在2%到7%范围内纺丝液的纺丝性能较好，粘度范围是10~150mPa.s。

　　根据上表分析，2%是在较低PLA浓度下纺丝液得到的纤维，纺丝过程喷头状态良好不堵塞，且细流稳定，同时得到纤维的状态较好，但是纤维直径分布不均匀，这是由于纺丝液粘度低，在纺丝过程中受到气流牵伸作用不均匀导致的。通过提高PLA的浓度，纺丝液的粘度增加；纺丝过程中喷头不堵且细流稳定，得到纤维的形态良好且直径分布均匀（3%、4%、5%），其中3%PLA浓度的纺丝液得到的纤维最细。随着PLA浓度的增加，纺丝液粘度增加，得到的纤维直径也随着增大（7%、9%），11%PLA浓度的纺丝液由于粘度过大，已很难获得长丝形态的纤维。

　　综合分析，选择使用PLA的质量分数为3%，此时纺丝液粘度适合纺丝，同时纤维的直径最细且分布均匀。

　　由于SiC纳米纤维中Si的含量对最终产品的性能有很大影响，所以确定纺丝液中PCS的量对最终产品的性能至关重要。本次实验通过改变PCS在体系中的质量分数配得纺丝液纺丝，以确定适合纺丝的最大PCS含量，从而制得性能优异的SiC纳米纤维。

　　随着纺丝液中PCS含量的增加，纺丝液粘度并未显著增加，从上表看，PCS含量较少时（<7%），纺丝状态良好，再逐渐增大PCS含量，可纺性下降，同时纺丝液成纤性能降低。通过比较选择PCS质量分数为7%，此时针头纺丝状态良好，纤维直径细且分布均匀。

　　由于PCS/PLA纤维中PCS含量对最终纤维性能有很大影响，为得到性能良好的SiC纤维，需要使纺丝液中PCS的含量尽量提高。改变PCS含量的纺丝过程中，PCS质量分数为7%及以下时，纺丝头状态良好，PCS质量分数增加到9%时出现液滴，达到11%时已难成形不易接收。本实验选择PCS质量分数为7%。