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随着航空航天高技术产业的快速发展,对研制具有耐高温、抗氧化、高强度等性能的材料提出了迫切要求。特别是,在相对较低的温度下(1200~1600℃)由聚合物前驱体制备BN、SiC、ZrC等非氧化物耐高温陶瓷或陶瓷基复合材料成为研究的焦点。针对上述需求,本文通过控制工艺条件合成BN和ZrC的聚合物前驱体,并在一定条件下将其转化为陶瓷材料,研究了化学反应条件对前驱体组成、结构及热转化陶瓷的组成和性能的影响。现将主要的研究内容及结果分述如下:
(Ⅰ)以三氯化硼和氯化铵为原料,分别以微米级的Fe、Co及Ni粉为催化剂,在溶剂回流条件下合成并提纯得到三氯环硼氮烷(Tricholoroborazine,TCB)晶体。利用红外光谱、核磁共振11B谱及1H谱进行表征。结果表明,以氯苯为溶剂时,所得晶体为纯的TOB,收率为约40wt%;加入催化剂后,TCB的收率均有提高,其中Fe粉的催化效果最好,TOB的收率提高至83.4 wt%。
以TCB为原料,与甲胺/二甲胺进行取代反应,制备了TCB的三取代产物:2,4,6-三(甲胺基)硼吖嗪(记为MAB)和2-二甲胺-4,6-二(甲胺基)硼吖嗪,利用红外光谱、核磁共振11B谱和13C谱进行表征,证实为目标产物。
以2,4,6-三(甲胺基)硼吖嗪为原料,在N2保护下,通过控制反应温度及时间可得到一系列硼氮聚合物前驱体。以140℃下缩聚所得聚合物(记为PMAB-140)为原料制备BN,利用红外光谱、元素化学分析、TG-DSC、XRD及SEM等分析技术研究了升温速率及最终热处理温度对BN结构及组成的影响。结果表明,在NH3气氛下,以1℃/min、2℃/min及5℃/min升温至1000℃并恒温1 h,所得产物均为灰白色,主要成分为硼、氮、氢,也含有微量碳,收率分别为54.9 wt%、52.8wt%及52.1 wt%。在NH3存在下,PMAB-140以2℃/min升温至所需温度(300~1000℃)后恒温10min,经热处理后所得产物的碳、氢元素含量随着温度升高而降低,同时发现无定形碳主要在500~700℃生成。经NH3、1000℃处理后所得产物在N2下、以1℃/min升温至1200~1600℃并恒温1h即可制得纯净的h-BN。随着热处理温度升高,BN的结晶度提高。经1600℃处理后,其d002值为0.3360 nm,接近BN单晶的0.3331nm。
(Ⅱ)以TCB/MAB为改性剂,加入聚碳硅烷(PCS)中,制备了改性PCS聚合物。着重研究了TCB与PCS的反应性以及TCB用量对改性PCS结构、陶瓷收率、可加工性及SiC产物微结构的影响,利用红外光谱、热重、XRD等测试分析技术对相应产物进行表征。结果表明,PCS中的Si-H键可部分地与TCB中的Cl-反应生成HCl;随着TCB添加量的增加,PCS中Si-H键含量呈下降趋势。TCB的加入可显著提高PCS的陶瓷收率,当TCB添加量大于8wt%时,陶瓷收率约增加10 wt%。当TCB添加量为5~8wt%时,可在提高PCS收率的同时使其保持较好的可加工性能,而当TCB添加量大于8wt%时,可加工性能变差。B、N的引入对SiC的微结构有影响:在氩气保护下,经1000℃热处理时,TCB的加入促进了SiC晶粒的生长;经1400℃热处理时,能够抑制SiC晶粒的生长。此外,MAB也可显著提高PCS的陶瓷收率。分别以PCS与TCB改性PCS聚合物为原料,由自发泡法在400℃、3 MPa下制备泡沫体,发现后者可制得泡孔较为均匀的SiC泡沫体。
(Ⅲ)以四氯化锆、乙醇、乙酰丙酮及含双羟基有机化合物如对苯二酚、1,4-丁二醇等为原料合成了锆的聚合物前驱体,并在氩气氛下于1500~1550℃对前驱体进行热处理得到陶瓷产物。利用红外光谱、热重等测试技术对锆前驱体的组成及结构转化进行了分析,利用XRD对热处理后产物的组成及结构进行分析。结果发现,所得烷氧基锆zr(OR)4对空气敏感,引入双齿配体Hacac所形成的(acac)2zr(OR)2可在空气中较稳定地存在。在酯基转移、缩聚形成聚合物前驱体的过程中,双羟基有机化合物起桥连体的作用。由(acac)2Zr(OR)2与对苯二酚所形成之前驱体不熔但乙醇可溶,经1500℃热处理后转化为ZrC与少量ZrO2的混合物,经1550℃热处理后可完全转化为ZrC,可作为C/C复合材料的一种浸渍剂;由(acac)2Zr(OR)2与1,4-丁二醇所形成之前驱体可熔,经1550℃热处理后可基本转化为ZrC,但仍含有少量ZrO2。