SiBONC陶瓷的制備與熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、本文采用差熱-熱重(TG-DTA)分析、X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)、紅外光譜(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、高分辨透射電鏡(HRTEM)以及力學(xué)性能測(cè)試等方法研究了有機(jī)聚合物先驅(qū)體法制備的SiBONC陶瓷材料的有機(jī)先驅(qū)體聚合、有機(jī)先驅(qū)體熱分解、有機(jī)先驅(qū)體裂解粉體的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和形貌特征、先驅(qū)體裂解粉體燒結(jié)陶瓷的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、SiBONC陶瓷的析晶機(jī)理和熱分解機(jī)理。
　　選用四氯化硅(S

2、iCl4)、高含氫甲基硅油(HPSO)和三氯化硼(BCl3)為原料成功制備了SiBONC有機(jī)先驅(qū)體。有機(jī)先驅(qū)體具有可溶解性、可聚合性以及較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)合成條件比較溫和。甲苯是一種有效的溶劑，其用量可以控制反應(yīng)速度和反應(yīng)程度。通過(guò)控制反應(yīng)溫度及交聯(lián)劑的用量可以得到不同Si/B比的先驅(qū)體。交聯(lián)反應(yīng)主要是≡Si-Cl(H)與H-NH-基團(tuán)之間的聚合反應(yīng)，得到的先驅(qū)體通過(guò) Si-O-Si結(jié)構(gòu)和苯胺或者乙二胺形成環(huán)狀或者網(wǎng)狀聚合物，硼原子

3、以B-N鍵為主要存在方式得到了固定。
　　先驅(qū)體裂解陶瓷產(chǎn)率較高，最高達(dá)到57％。先驅(qū)體裂解獲得的陶瓷粉體呈非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征，主要由Si、B、O、N、C五種元素組成，組合成Si-N、Si-O-N、Si-O-Si和O-Si-N-B、B-N、Si-C等基團(tuán)。先驅(qū)體裂解過(guò)程分為低溫和高溫兩個(gè)階段，低溫區(qū)結(jié)合能較低的基團(tuán)分解，產(chǎn)生含有 Si、C、O、N等自由基的帶電荷基團(tuán)，高溫階段 Si-O/Si-O、Si-O/Si-C、Si-H/Si-O

4、、Si-O/Si-N、Si-N/Si-C、B-N-Si-O之間發(fā)生重排反應(yīng)，產(chǎn)生C-Si-O、O-Si-N-B等基團(tuán)。先驅(qū)體裂解粉體粒徑在50-150nm之間，粉體主要由球狀顆粒組成。球狀顆粒間呈鏈狀及團(tuán)狀聯(lián)接。
　　先驅(qū)體裂解粉末通過(guò)熱壓燒結(jié)得到幾乎完全致密的SiBONC非晶與微晶陶瓷，陶瓷材料的密度較低在1.9-2.2g/cm3之間。陶瓷的力學(xué)性能優(yōu)于一般的非晶態(tài)材料，抗彎強(qiáng)度最高值可以達(dá)到為185MPa、維氏硬度為3.86G

5、Pa、斷裂韌性為2.55MPa·m1/2；材料在1700℃燒結(jié)時(shí)析出了納米尺度的SiC顆粒，并且生成了表面含B的納米纖維，其直徑在100nm左右。
　　SiBONC陶瓷材料具有非常高的熱穩(wěn)定性，其非晶態(tài)結(jié)構(gòu)可以保持到1800℃，失重很小，在1900℃熱處理時(shí)其失重只有5%左右。其析晶機(jī)理主要為有機(jī)硅材料的BSU形核理論。但是某些成分的SiBONC陶瓷粉末坯體及陶瓷塊體在高溫?zé)崽幚頃r(shí)，會(huì)在表面形成大量的SiC納米線。同時(shí)對(duì)在研究高溫