[發明專利]可控碳含量的含硅陶瓷和制備方法

無效

• 申請號: 200810052105.6
• 申請日: 2008-01-18
• 公開（公告）號: CN101215154A
• 公開（公告）日: 2008-07-09
• 發明（設計）人: 李亞利;梁田;杜賀寶;侯峰;譙曉花
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/14
• 分類號: C04B35/14;C04B35/565;C04B35/584;C04B35/63
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司
• 代理人: 趙敬

技術領域

本發明屬于材料制備領域，特別是可控碳含量的含硅陶瓷和制備方法。

背景技術

含硅陶瓷具有低密度、耐高溫、抗腐蝕、抗氧化、導電等優良性能，在高技術、化工、電子和機械加工等領域具有重要應用前景。有機硅烷前驅體一般為以硅碳、硅氧和硅氮鍵為骨架，以烴基或芳香基等富碳基團為側基的聚合物，如有機硅氮烷、硅氧烷、硅碳烷等，用其制備陶瓷一般在惰性氬、氮或氫等氣氛中進行，由此形成的陶瓷一般含有過剩的碳，前驅體的化學結構不同，導致不同的碳含量，一般在30～40wt.％，高可達～70wt.％。前驅體陶瓷中的過剩碳一般以游離態存在于陶瓷中，降低了陶瓷的高溫穩定性、抗氧化性和力學性能。此前研究主要通過改變反應條件如變化熱解氣氛(N₂或NH₃)和溫度，調控前驅體側鏈基團，如以盡可能多的Si-H或Si-Si鍵來代替Si-烴基或Si-芳香基，或加入含金屬有機鹽或活性填料如Ti，Al，B等，但這些方法對避免過剩碳的形成效果不明顯。

中國專利CN101074159報道了用液態硅氧烷前驅體制備硅氧碳陶瓷的方法，但不是在含水汽下進行熱解，制得的陶瓷中碳含量在20wt％以上。

發明內容

本發明的目的是提供一種可控碳含量的含硅陶瓷和制備方法，可以克服已有技術的缺點。本發明采用在水汽中熱解陶瓷有機前驅體的方法，以此有效避免了陶瓷中游離碳的形成，得到的陶瓷與以往黑色的含硅不同，為白色或灰白色。同時，水的加入提高了陶瓷的產率，增加了密度，提高了陶瓷的力學和高溫性能等。

本發明提供的可控碳含量的含硅陶瓷是以有機硅烷為前驅體在水汽條件下對其熱解制備而成，自由碳含量低于15％。

所述的有機硅烷前驅體包括以Si-O、Si-N或Si-C為主鏈或骨架結構的有機聚合物，在600℃以上加熱，陶瓷產率在50％以上(較佳大于60wt.％)的有機硅前驅體，。該有機硅烷前驅體可為一種或幾種的混合，最佳為幾種的混合。

所述的含硅陶瓷為SiC，SiCN，SiOC，SiOCN或含金屬或其它陶瓷相的低碳陶瓷，包括SiBCN，SiAlCN，SiTiCN，SiBCNO，SiCN-SiC，SiCN-TiC等；含碳重量百分比1～15％；

本發明提供的可控碳含量的含硅陶瓷和制備方法包括的步驟：

將有機硅烷加入反應器中，通入惰性氣體或活性氣體，在溫度高于100℃，向體系中通入水汽，水汽分壓比0.01～0.5；熱解溫度600～1500℃，得到熱解陶瓷。

在水汽中可以混入的惰性氣體是氬氣；活性氣體：氮氣，氫氣，最佳混入氬氣；

在前驅體中加入含金屬有機物或其它無機物，如鐵粉、鈦粉、氮化硼納米粉、硝酸鐵等。

本發明提供的可控碳含量的含硅陶瓷應用于制造航空航天、精密電子和機械加工器件。

本發明提供的可控碳含量的含硅陶瓷和制備方法可以克服已有技術的缺點。本發明采用在水汽中熱解陶瓷有機前驅體的方法，有效消除了陶瓷中的游離碳，得到的陶瓷與以往黑色的含硅不同，為白色或灰白色。同時，水的加入提高了陶瓷的產率，增加了密度，提高了陶瓷的力學和高溫性能等采用本發明可降低陶瓷中的自由碳含量，提高材料強度和韌性。

附圖說明

圖1為本發明實施例一制得的斷面為白色的硅氧碳陶瓷。

圖2為本發明實施例二制得的斷面為黑色的硅氧碳陶瓷。

圖3為本發明實施例一制得的白色陶瓷的能譜圖。

具體實施方式

實施例一

采用5g聚甲基氫硅氧烷(粘度：15-50mPa.s，20℃)和5g乙烯基硅氧烷作為前驅體，加入1wt％乙烯基硅氧烷鉑絡合物催化劑，加入5g聚二甲基硅氧烷混合攪拌均勻，80℃熱交聯，放入管式爐中，通入氬氣，流速150sccm，通入水汽，分壓為0.2atm，加熱到1000℃，得到了光滑無裂紋的白色陶瓷，產率為71wt％，能譜(圖3)分析碳含量3.86wt.％。光學照片如圖1。

實施例二

采用聚甲基氫硅氧烷、乙烯基硅氧烷(質量比1∶1)和聚二甲基硅烷的混合物作為前驅體，熱交聯后放入管式爐中，通入氬氣，流速150sccm，加熱到1000℃，得到了黑色陶瓷，產率為61wt％，能譜分析碳含量34wt.％。光學照片如圖2。

實施例三

采用聚碳硅烷(分子量為2000)為前驅體，180℃對其氧化交聯后熱壓成型，放入管式爐中，通入氬氣，流速150sccm，通入水汽，分壓比0.2atm，加熱到1000℃，得到了白色陶瓷，能譜分析碳含量7.6wt.％。

實施例四