[发明专利]硅硼碳氮陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种硅硼碳氮陶瓷及其制备方法，具体以化学方法合成聚硼硅胺烷，再以聚硼硅胺烷为前驱体热解制备硅硼碳氮陶瓷，属于材料制备领域。

背景技术

硅硼碳氮陶瓷是由聚合物前驱体聚硼硅氮烷热解形成的具有非晶网络结构的新型陶瓷材料，硅硼碳氮陶瓷具有轻质、高强、耐高温等优点，可用于发展高温结构陶瓷，应用于航空航天、高温防护、机械、冶金、化工等领域。聚硼硅氮烷是含硅、硼、碳、氮的聚合物，对其热解可形成由硅、硼、碳和氮原子构成的硅硼碳氮陶瓷，硅硼碳氮陶瓷由于在硅氮网络中结合了硼原子和碳原子，形成硅和硼的碳氮化物，抑制结晶保持非晶网络并形成高温相，较传统的氮化硅材料具有更高的耐高温稳定性。聚硼硅氮烷中硅、硼、碳、氮的键连结构决定了硅硼碳氮陶瓷的结构和性能。利用前驱体法制备硅硼碳氮陶瓷的分子可设计性，可通过设计不同的反应设计和反应途径，制备结构和性能不同的硅硼碳氮陶瓷。

目前合成聚硼硅氮烷方法有由单源前驱体合成聚硼硅氮烷，还有由共聚合反应制备聚硼硅氮烷。具体的反应设计有以硅氮烷聚合环硼氮烷合成聚硼硅氮烷，含B-N六元环结构；以硅硼氮烷和氨(或胺)一步聚合合成聚硼硅氮烷，含Si-N-B结构；以氯硅烷经硼氢化氨解两步聚合合成聚硼硅氮烷，含B-C和Si-N键组成的网络结构。这些聚硼硅氮烷具有不同的化学结构，热解形成的硅硼碳氮陶瓷也有不同的结构和性能。

中国CN 101870586 A公开了一种硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法，是将硅粉、石墨和氮化硼放入到球磨机中在氩气保护下进行长时间的球磨制备，其中，Si:C:B摩尔比为2:3:1。该方法需要放电等离子烧结或热压烧结，烧结温度高达1400-2000^oC，甚至需要50MPa的高压，条件苛刻，使得到的复合材料的纯度和质量无法保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的硅硼碳氮陶瓷及其制备方法。本发明以含双碳链或多碳链结构的胺为氮源胺解氯硅烷，硼氢化反应合成前驱体聚硼硅胺烷，然后热解前驱体制备硅硼碳氮陶瓷，具有结构和组成可设计性高等优点，适合于制备高纯度陶瓷。本发明通过将双碳链引入前驱体结构合成聚硼硅胺烷，使C-N形成键连，促进硅的碳氮化物的出现，有助于提高硅硼碳氮陶瓷的高温性能。用本发明制备的硅硼碳氮陶瓷，组成可控，碳含量和硼含量可调，可制备具有优异高温性能的硅硼碳氮陶瓷，可应用于航空航天、高温系统、机械、冶金、化工等领域。

本发明提供的硅硼碳氮陶瓷是以含双碳链或多碳链结构的胺为氮源胺解氯硅烷，进而硼氢化反应合成含双碳链或多碳链结构的聚硼硅胺烷，经热解制备的。

所含双碳链或多碳链结构为-N-CH₂-R-N-链，R为C₁-C₆烷基、C₂-C₆烯基或芳香基。

所述的硅硼碳氮陶瓷，其化学组成为SiB_0.16-1.00C_3-8N₂。硼和硅的摩尔比为0.16-1：1。碳和硅的摩尔比为3-8：1。

所述的氯硅烷为由含乙烯基的氯硅烷CH₂=CH-Si(R)_xCl_3-x (x=0-2)和含Si-H基团的氯硅烷HSi(R^’)_yCl_3-y (y=0-2)组成的有机混合物，R和R^’为C₁-C₆烷基、C₂-C₆烯基或芳香基，R和R^’相同或不相同，但不限于此。含乙烯基的氯硅烷和含Si-H基团的氯硅烷的摩尔比为1：1。

所述的含乙烯基的氯硅烷是乙烯基三氯硅烷CH₂=CH-SiCl₃、二乙烯基二氯硅烷CH₂=CH-Si(CH₂=CH)Cl₂、甲基乙烯基二氯硅烷CH₂=CH-Si(CH₃)Cl₂和二甲基乙烯基氯硅烷CH₂=CH-Si(CH₃)₂Cl中的至少一种。