[发明专利]一种含锆聚碳硅烷陶瓷先驱体的制备方法及其装置

说明书

本发明涉及含锆聚碳硅烷陶瓷先驱体的制备方法及其装置，所述方法包括如下步骤：通过热解法制备液态小分子；将所述液态小分子与所述含锆有机物在溶剂中进行聚合反应合成含锆聚碳硅烷，该含锆聚碳硅烷中的锆含量为1％～10wt％。本发明采用溶液聚合方法，引入溶剂，金属有机物溶解在溶剂中，与液态环硅烷小分子或液态硅烷小分子在均相体系中发生反应，产物中锆元素分布更为均匀，进一步提高产物中金属组分含量，通过该方法最终得到含锆聚碳硅烷可溶可熔，软化点可调，锆含量可调，低氧含量、陶瓷产率高达60％以上。

技术领域

本发明涉及陶瓷先驱体材料技术领域，尤其涉及一种含锆聚碳硅烷陶瓷先驱体的制备方法及其装置。

背景技术

碳化硅(SiC)陶瓷及其复合材料以其耐高温、抗氧化、耐腐蚀以及优异的力学性能而广泛应用于宇航、船舶、核能等高科技领域。然而，在极高温度环境下SiC烧蚀严重，最终将会丧失工作能力。向SiC陶瓷中引入具有更高耐温等级、更强更高抗氧化性的超高温陶瓷相，例如向材料中加入锆、铪、钛、硼、铝等元素来提高材料在高温条件下的耐热性能，提升抗氧化烧蚀能力是解决这一问题的有效途径之一。

目前制备含锆聚碳硅烷所采取的途径大部分是采用物理或化学的方法将含锆的基团引入到聚碳硅烷中，制备得到含锆聚碳硅烷。采用物理方法，直接将锆融入到材料中，工艺简单，成本低，但不能保证掺杂物的均匀分布，其原理是阻止材料在高温时的进一步烧蚀，而对材料本身的性能没有较大的提升。采用化学合成法是制备含金属聚碳硅烷最理想的方法，既能保证锆在材料中均匀分布，便于进一步加工，又能直接提高材料本身的耐超高温性能和力学性能。

采用化学合成法合成含锆聚碳硅烷，目前主要路线是将含锆有机物与聚碳硅烷在惰性气体保护下，在一定温度下使有机基团与聚碳硅烷的硅氢键反应合成。该方法制备的含锆聚碳硅烷方法操作简单，反应条件较为温和。反应中，含锆有机物通常起到交联剂和催化剂的双重作用，因此过多的含锆有机物会导致在合成过程中过度交联，影响先驱体的成型与应用。因此，该方法制得的金属组分通常低于5％。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种含锆聚碳硅烷陶瓷先驱体的制备方法及其装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种含锆聚碳硅烷陶瓷先驱体，其化学结构式为：

其中，m、n1、n2、n3均为正整数，且≥1；Cp1和Cp2为环戊二烯基或取代环戊二烯基。

优选的，m∶(n1+n2+n3)比值为1∶10～1∶100。

一种含锆聚碳硅烷陶瓷先驱体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过热解法制备液态小分子；

将所述液态小分子与所述含锆有机物在溶剂中进行聚合反应合成含锆聚碳硅烷，该含锆聚碳硅烷中的锆含量为1％～10wt％。

优选的，所述的通过热解法制备液态小分子的具体步骤为：先将聚二甲基硅烷投入至裂解釜中，后进行抽真空和充入惰性气体，反复操作多次后再通入惰性气体并对其进行保压，而后对裂解釜进行加热，裂解釜加热后产生的气体进行冷凝处理，最后得到液态小分子；其中，抽真空的真空度为-0.09±0.05MPa，保压时间为15～24h，裂解釜的加热温度为300～420℃，反复操作的次数至少为3次，所述惰性气体为氮气。

优选的，所述的通过聚合反应合成含锆聚碳硅烷的具体步骤为：

(1)将合成釜加热、抽真空和保温，以对合成釜干燥除水，再通入惰性气体进行置换，反复操作多次后再通入惰性气体并对其进行保压，而后往合成釜中加入有机溶剂、锆有机化合物和裂解釜裂解得到的液态小分子，加入完成后保持温度在80～120℃搅拌反应10～24h；其中，合成釜的加热温度为80～120℃，抽真空的真空度为-0.09±0.05MPa，保温2～3h；