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硼吖嗪的合成及其转化制备氮化硼研究

李俊生  
【摘要】:硼吖嗪是一种重要的BN陶瓷先驱体,在常温下为液态,其分子式为B_3N_3H_6,既可以用作PIP法制备BN基复合材料的先驱体,也可以用作CVD法制备BN涂层的先驱体,而国内有关硼吖嗪的研究罕见报道。本文成功合成了硼吖嗪,研究了硼吖嗪的合成反应机理,首次提出了硼吖嗪的高效催化合成方法;研究了先驱体硼吖嗪的交联及其裂解转化BN陶瓷过程;以硼吖嗪为先驱体,采用PIP方法制备了BN基复合材料;采用CVD方法制备了BN界面相涂层。 在综述硼吖嗪的合成研究进展基础之上,对其合成路线进行了设计,采用硼氢化钠与铵盐的液相反应路线合成硼吖嗪,研究了硼源、氮源、溶剂、反应物配比、反应物浓度、反应温度等因素对合成反应的影响,得到了优化的合成工艺参数:NaBH_4为硼源、(NH_4)_2SO_4为氮源、二乙二醇二甲醚为溶剂、NaBH_4的浓度为8mol/L、(NH_4)_2SO_4 : NaBH_4摩尔比为0.8 : 1,反应温度110℃,硼吖嗪的合成产率为37%。探索了硼氢化钠和硫酸铵液相反应合成硼吖嗪的机理。硼氢化钠和硫酸铵反应首先生成H_3B·NH_3。当反应温度较低时(40~60℃),主要反应产物是H_3B·NH_3,H_3B·NH_3可以稳定存在而不发生热分解;当反应温度为60~110℃时,H_3B·NH_3热解脱氢变为活性中间物H_2B=NH_2以及少量的μ-B_2H_5(NH_2)和B_2H_6等,部分H_2B=NH_2通过加成反应变为B_3N_3H_(12)和聚氨基硼烷(PAB),B_3N_3H_(12)继续热解脱氢变为硼吖嗪B_3N_3H_6;当反应温度较高时(110~160℃),硼吖嗪发生严重的交联反应,而且副产物PAB的量也明显增加,硼吖嗪的产率显著降低。首次提出硼吖嗪的高效高产率催化合成方法。添加催化剂LiCl、MgCl_2或AlCl_3等,可以显著降低合成反应的温度,缩短反应时间,提高硼吖嗪的合成产率。采用催化剂AlCl_3的效果最好,添加1mol%的AlCl_3,最优反应温度从110℃降至45℃,产率从37%提高至76%。 研究了硼吖嗪的交联及其裂解转化BN陶瓷反应。无需催化剂或固化剂,在热作用下(70~100℃)硼吖嗪即可交联。硼吖嗪交联反应动力学研究表明交联反应初期为逐步聚合反应,且反应级数为二级。交联产物聚硼吖嗪的组成、结构表征研究表明,其元素组成为B_(3.00)N_(3.06)H_(3.87) ~ B_(3.00)N_(3.03)H_(2.64),硼氮六元环留存于聚硼吖嗪之中,硼氮六元环的连接方式为联苯型、稠环型两种,B-H键和N-H键的含量随交联时间的延长而减少,交联反应通过B-H键和N-H键的脱氢耦合反应实现。研究了聚硼吖嗪在裂解转化BN陶瓷过程中的组成、结构演变。聚硼吖嗪的裂解陶瓷化大致可以分为四个步骤:第一阶段为室温~150℃,主要为小分子组分的挥发;第二阶段为150~400℃,失重主要在这一阶段完成,主要反应为B-H键和N-H键的脱氢交联,同时有少量的B-N键断裂导致硼氮六元环开环;第三阶段为400~1000℃,无机化主要在此阶段完成,主要为自由基反应,B-H键、N-H键断裂形成活泼H原子和自由基,活泼H原子复合变为H_2分子逸出,自由基迁移和重排;第四阶段为1000~1500℃,主要为裂解产物的结构规整化。不同温度裂解产物的B/N原子比均约为1/1。随着裂解温度的提高,裂解产物中B-H键、N-H键含量逐渐减少,800℃时B-H键完全消失,1000℃时N-H键完全消失,裂解产物的结晶程度逐渐提高。低于800℃的裂解产物为无定形态的sp~2杂化氮化硼,1000~1200℃的裂解产物为乱层六方氮化硼,结构致密且由纳米球形颗粒组成,温度高于1400℃时裂解产物为结晶的高纯六方氮化硼,结构疏松且为片层结构。研究了先驱体的裂解反应动力学。裂解反应第一、二阶段的表观活化能为23、117kJ/mol,分别属于Jander方程、Ginstling-Brounshtein方程主导的扩散控制过程,第三阶段的表观活化能为230kJ/mol,属于Zhuralev-Lesokin-TemPelman方程主导的扩散控制过程,是自由基反应。研究了裂解BN陶瓷的密度、水解稳定性和抗氧化性。随着裂解温度的升高,陶瓷产物的密度不断提高,400~1000℃之间密度增长迅速,1000℃后密度增长趋缓,1600℃的密度为2.01g/cm~3。低于1000℃的裂解BN陶瓷在潮湿空气中会发生吸潮水解反应,形成分子通式为(NH_4)_2O·xB_2O_3·yH_2O的硼酸铵络合物;而1200℃以上的裂解BN陶瓷不会发生水解反应,仅发生物理吸附增重。随着裂解温度的升高,裂解BN的抗氧化性不断提高,1000℃、1200℃、1400℃裂解BN的氧化起始温度分别为853℃、937℃、987℃,氧化之后形成B_2O_3和BNxOy。 以硼吖嗪为先驱体,采用PIP工艺制备了C_f/BN和SiC_f/BN复合材料。研究了裂解温度对C_f/BN复合材料力学性能和微观结构的影响规律。在1000~1200℃,随着裂解温度的升高,C_f/BN的力学性能不断提高,纤维/基体间界面结合的弱化是力学性能提高的主要原因;在1200~1600℃,随着裂解温度的升高,C_f/BN的力学性能不断下降,这是因为在高温度下裂解得到的BN基体质地软,不能有效发挥传递载荷和对增强纤维的约束作用。1200℃的C_f/BN复合材料具有最佳的力学性能,弯曲强度、模量分别为221.6MPa、71.3GPa。研究了C_f/BN的热物理性能、抗氧化性能和摩擦磨损性能。在室温下,C_f/BN的热导率、比热容、热膨胀系数分别为1.2W·m~(-1)·K~(-1)、1.07kJ·kg~(-1)·K~(-1)、1.3×10~(-6)/K。C_f/BN复合材料在1100℃、1200℃、1300℃氧化30min之后,弯曲强度保留率分别为72.7%、66.4%、50.2%。C_f/BN的摩擦系数稳定性好,摩擦系数约0.22~0.23,磨损率低,线性磨损为0.4~4.3μm/cycle、质量磨损为0.8~8.7mg/cycle。研究了裂解温度对SiC_f/BN复合材料力学性能的影响。随着裂解温度的升高,SiC纤维的损伤脆化加剧,SiC_f/BN的力学性能逐渐下降。当裂解温度从1000℃升高至1400℃时,SiC_f/BN的弯曲强度、模量分别从166.4MPa、53.8GPa降低至48.3MPa、28.9GPa。 以硼吖嗪为先驱体,采用CVD法在碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维表面制备了BN界面相涂层。探索了制备工艺对CVD BN涂层微观形貌、组成和结构的影响规律。发现了CVD BN涂层生长的基底效应,CVD BN涂层在与其晶体结构相似的碳纤维上生长时无诱导期存在,而在与其晶体结构相差较大的碳化硅纤维和石英纤维上生长时则需要诱导期。研究了CVD BN涂层生长动力学,在900~1000℃,沉积过程为化学动力学控制,活化能为72kJ/mol;在1000℃沉积过程转变为质量传输控制;当沉积温度高于1100℃时,由于大量气相形核反应的发生,涂层生长速率随着沉积温度的升高急剧下降。研究了CVD BN界面相涂层对C_f/BN、SiC_f/BN复合材料力学性能的影响。CVD BN涂层显著改善了纤维和基体之间的界面结合,提高了C_f/BN、SiC_f/BN复合材料力学性能,二者的弯曲强度分别提高了41.1%、31.4%。


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