[發(fā)明專利]一種Si-Al-C-N陶瓷先驅(qū)體的制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010218392.0
• 申請(qǐng)日: 2010-07-06
• 公開（公告）號(hào): CN101870585A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝征芳;蔡溪南;鎖興文;王軍;薛金根;陳朝輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/58
• 分類號(hào): C04B35/58;C04B35/56;C04B35/622
• 代理公司: 長沙星耀專利事務(wù)所 43205
• 代理人: 寧星耀

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種Si-Al-C-N陶瓷先驅(qū)體的制備方法，尤其是涉及一種含有乙烯基或Si-H的聚硅氮烷和含有Al-H的鋁烷為主要原料的Si-Al-C-N陶瓷先驅(qū)體的制備方法。

背景技術(shù)

隨著航空、航天、兵器、能源等高技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的金屬材料和高分子材料已很難滿足這些應(yīng)用要求。陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、高硬度、耐磨損、抗腐蝕、耐高溫和抗氧化等優(yōu)異性能，作為一種高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料，能應(yīng)用于高溫和某些苛刻環(huán)境中，被認(rèn)為是21世紀(jì)高溫結(jié)構(gòu)部件最有希望的候選材料和“最終材料的夢想”。

SiC陶瓷具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗腐蝕、抗氧化、低密度等優(yōu)異性能，有極佳的耐溫潛力，純β-SiC晶體理論上可耐高溫達(dá)2600℃。但是，目前制備的SiC陶瓷的耐高溫性卻遠(yuǎn)達(dá)不到此理論溫度。當(dāng)溫度達(dá)到1400℃以上時(shí)，β-SiC微晶不斷從連續(xù)相獲得新的補(bǔ)充，使晶粒急劇長大。當(dāng)溫度超過1800℃后，β-SiC晶粒尺寸可超過1μm，并開始從陶瓷表面析出，造成SiC陶瓷粉末化，使SiC陶瓷的力學(xué)性能急劇降低。因此，單純的SiC陶瓷越來越難于滿足超高溫的使用要求。研究表明，在SiC陶瓷中引入一種或多種高熔點(diǎn)化合物或異質(zhì)元素（如Ta、Hf、Nb、Ti、Mo、Cr、Zr等），可以抑制高溫下β-SiC晶粒長大，提高SiC陶瓷的耐溫性。

Si-C-N陶瓷以其高強(qiáng)度、高模量、高硬度、低密度、低熱膨脹系數(shù),以及優(yōu)良的耐熱沖擊、抗氧化和抗化學(xué)腐蝕性能，在信息、電子、航空、航天和軍事等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。而在Si-C-N中進(jìn)一步引入其他元素M，可以提高陶瓷某方面的性能或增加新的功能，如提高陶瓷的耐高溫性、抗氧化性等。這方面，人們也做了不少工作。目前，Si-C-N-M先驅(qū)體陶瓷體系中，M主要是第三主族的B、Al以及其他一些過渡金屬元素。其中對(duì)Si-B-C-N體系的研究比較多。

Si-B-C-N體系陶瓷中，由于B元素的引入，其高溫性能得到很大的提高。許多Si-B-C-N先驅(qū)體制備的陶瓷材料均顯示出較好的高溫穩(wěn)定性，在氣氛保護(hù)下，其使用條件可以達(dá)到1800℃，有些甚至達(dá)到2000℃。然而，在高溫氧化環(huán)境下，B極易形成揮發(fā)性的B₂O₃。陶瓷材料在氧化環(huán)境下的熱分析研究表明，在<1500℃時(shí)，由于B的氧化導(dǎo)致質(zhì)量增加，而當(dāng)溫度高于>1500℃時(shí)，由于B₂O₃的揮發(fā)導(dǎo)致體系質(zhì)量損失并產(chǎn)生氣孔。就Si-B-C-N陶瓷來說，在1500℃中氧化24h，導(dǎo)致無定形態(tài)結(jié)晶化并伴隨著氣泡生成。顯然，這對(duì)耐高溫陶瓷結(jié)構(gòu)材料來說是非常不利的。

近年來，許多研究工作者將目光轉(zhuǎn)向了Si-Al-C-N陶瓷體系。其中的Al氧化后形成Al₂O₃，不具有高溫?fù)]發(fā)性，具有比Si-B-C-N體系陶瓷更好的耐高溫和抗氧化性能。但是，現(xiàn)有Si-Al-C-N先驅(qū)體的合成方法，原料來源受到限制，合成產(chǎn)率較低，產(chǎn)物純度也較低，反應(yīng)工藝設(shè)備較復(fù)雜，反應(yīng)過程不易控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有Si-Al-C-N先驅(qū)體合成方法存在的不足，提供一種原料來源廣泛，合成產(chǎn)率高，產(chǎn)物純度高，熱解產(chǎn)物具有優(yōu)異耐高溫性能和高溫抗氧化性能，所需設(shè)備簡單的Si-Al-C-N陶瓷先驅(qū)體的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：以主鏈含硅的氯硅烷例如甲基乙烯基二氯硅烷等有機(jī)化合物為原料，通過NH₃、CH₃NH₂等氨解制備得到聚硅氮烷，再在Ar、N₂等氣氛保護(hù)下，與鋁烷如二異丁基氫化鋁、三氫化鋁等含Al-H的有機(jī)鋁化合物反應(yīng)，制備Si-Al-C-N陶瓷先驅(qū)體。

本發(fā)明具體包括以下步驟：（1）將主鏈含硅的氯硅烷經(jīng)含－NH₂的化合物氨解，過濾，再減壓蒸餾，得到聚硅氮烷；（2）取一定量的聚硅氮烷置于三口燒瓶中，加有機(jī)溶劑四氫呋喃或甲苯溶解（溶劑加入量不限，只需將聚硅氮烷溶解即可），按照Si和Al的原子摩爾比為1-5:1或1:2，加入含有Al-H的有機(jī)鋁化合物；（3）在N₂氣氛保護(hù)下，將三口燒瓶置于室溫下持續(xù)攪拌反應(yīng)24－72h；（4）反應(yīng)后在60－90℃減壓蒸餾去除溶劑，即得到Si-Al-C-N陶瓷先驅(qū)體。

所述主鏈含硅的氯硅烷可為甲基乙烯基二氯硅烷等。