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聚硅氧烷先驱体转化制备陶瓷基复合材料研究

马青松  
【摘要】: 先驱体转化制备陶瓷材料的工艺因制备温度低、材料组成可控、成型加工容易等优点受到广泛关注,在陶瓷纤维及其复合材料的制备中显示出巨大优势和广阔应用前景。本文在全面综述先驱体转化制备陶瓷材料各方面研究情况的基础上,针对低成本制备技术,在国内率先开展聚硅氧烷先驱体转化制备陶瓷基复合材料研究,旨在拓宽先驱体转化制备陶瓷材料工艺的应用范围,为加快先驱体转化陶瓷的应用奠定基础。 选用国内市场已经商品化的廉价含氢聚硅氧烷(HPSO)、含乙烯基聚硅氧烷(VPSO)和二乙烯基苯(DVB)为原料,运用傅利叶转换红外光谱、热分析、元素分析、X射线衍射、扫描电子显微镜等手段,对聚硅氧烷的交联与裂解行为、聚硅氧烷转化制备陶瓷基复合材料的工艺以及材料的结构与性能进行了系统研究。 研究了DVB/HPSO和VPSO/HPSO两个体系的交联与裂解行为。DVB/HPSO和VPSO/HPSO在氯铂酸的催化作用下能有效交联。催化剂含量、各组分重量比例和温度是影响交联程度和陶瓷产率的关键因素。重量比例分别为0.5:1和4:1的DVB/HPSO和VPSO/HPSO体系陶瓷产率最高,分别为76.0%和74.6%。两个体系的交联产物均为无色透明坚硬固体,符合成型需要,又具有高陶瓷产率,是制备Si-O-C陶瓷基复合材料的合适先驱体。 对两个体系的裂解产物和裂解过程进行了表征。结果表明,两体系裂解产物皆由Si、O、C元素组成,其中O全部与Si结合,C一部分与Si结合,另一部分以自由碳形式存在。裂解温度对产物成分、结构以及物相有明显的影响。两体系交联产物的结构不同导致裂解产物在成分和结构上存在明显差异。两个体系的裂解都可以分为两个阶段。DVB/HPSO体系第一阶段裂解的活化能为208.38kJ/mol,遵循Avrami-Erofeev方程,由随机成核步骤控制裂解反应。VPSO/HPSO体系第一阶段裂解的活化能为234.41kJ/mol,由三维扩散步骤控制裂解反应。两个体系第二阶段的活化能分别为339.89kJ/mol和484.76kJ/mol,都遵循抛物线法则,由一维扩散过程控制裂解反应。关于DVB/HPSO体系交联与裂解的上述结果至今未见报道。 国防科学技术大学研究生院学位论文 探讨了用DVBIHPSO体系制备si一C复合材料的工艺以及材料的结构与性能。 siC颗粒可以抑制DVB八IPSO裂解时的体积收缩,同时起到增强作用。siC颗粒含量 为4owt%和55Wt%的SIC声i一0一c的强度分别达到142.86Mpa和Zol.32Mpa,是单体 si一O一C陶瓷的3~4倍。但它们的抗氧化、抗热震和耐高温性能都较差。MOSiZ也能 起到增强作用,MoS贬含量为70wl;o/o的MosiZ/si一O一C的强度为1 92.55MPa,同时表现 出优秀的耐高温性能。Mosi:的加入还能大幅度降低si一O一C陶瓷的电阻率。 研究了活性增强相Al在聚硅氧烷转化制备陶瓷材料中的应用。在40wt% SIC声si一O一C中加入Al能进一步减少先驱体裂解时的体积收缩,同时也能起到增强作 用。含Zovol%Al的4owt%SIC夕51一o一C的强度为1 93.88Mpa,是不含AI的 40wt%siC声i一o一C的1.36倍。Al的加入还能显著提高40v沈%siC夕Si一O一C的耐高温和 抗氧化性能,但不能提高材料的抗热震性能。Al的加入也能明显降低si一O一C陶瓷的 电阻率。600℃时,AI可与先驱体裂解产生的含碳小分子气体反应生成A14C3,800℃ 时AI可与裂解气氛NZ反应生成AIN,温度升高,Al的氮化反应不断进行。SIC粉的 加入有助于Al的氮化。活性增强相Al在聚硅氧烷转化制备陶瓷材料中的应用至今尚 未见报道。 研究了3D一BC扩si一0一C复合材料的制备工艺与性能。结果表明,先驱体转化制备 3D一BC扩si一O一C复合材料时,提高裂解升温速度和第一周期在1600℃下常压裂解并不 能提高材料的力学性能。在第一周期采用热压辅助裂解可以明显提高材料的力学性 能。第一周期在1600℃、IOMPa下热压IOmin所得材料的力学性能最好,其强度和 断裂韧性从未经热压辅助裂解时的246.2Mpa和9.4MPa·m,反提高到502MPa和 23.7MPa·m’口。高温裂解、快速升温以及施加压力三方面因素的共同作用是材料力学 性能明显提高的原因。在制备材料的倒数第二周期采用1400℃裂解也能提高材料性 能。在2400,C下裂解30而n后,材料的强度和韧性从265.IMPa和10.zMPa·m’几提高 到455.IMpa和14.SMPa.m.口。利用上述两种工艺提高先驱体转化制备的3D一B C扩51一0一C的力学性能目前尚无报道。 首次采用A12O3溶胶一凝胶+DVB旧PSO浸渍一裂解的交替法制备出3D一B C办Al2O3’2si仇复合材料,并与A12O3一siq双相溶胶一凝胶工艺进行了比较。交替法 能在相对较短的时间内获得相对较高的密度,但两种方法制备的材料中都含有较多孔 隙,因而力学性能都不高,有必要对制备工艺进行进一步优化。 第V页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在国内首次利用结合RTM和先驱体浸渍裂解技术的RTMP工艺制备出复杂形状 二维C扩51一0一C复合材料构件。针对RTM工艺设计制造出符合要求的模具,研究了 脱模剂制备、纤维预制件制作、先驱体溶液充模、后续致密化与加工等工艺步骤。结 果表明,DVB旧PSO先驱体溶液的化学流变特性符合RTM工艺要求,Tio:薄膜是合 适的脱模剂,


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