聚铝硅氮烷的合成及SiAlCN纳米多孔陶瓷研究

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前驱体陶瓷(PDCs)在高温下具有优异的热稳定性,抗氧化性,抗蠕变性等性能,可通过前驱体聚合物裂解直接制备。多孔陶瓷具有低密度,高比表面积,低热导率等特性,可由前驱体转化法制得,该方法具有制备温度低,结构可控,加工性好等优点。本文用不同质量的异丙醇铝改性支化结构聚硅氮烷,合成了不同含铝量的聚铝硅氮烷前驱体(PASZ),并对其结构、固化裂解行为及陶瓷性能进行了表征和研究。以聚铝硅氮烷作为前驱体,六亚甲基二异氰酸酯(HDI)为交联剂,通过溶胶凝胶法制备出SiAlCN纳米多孔陶瓷,并对HDI含量对孔结构的影响进行了研究。  通过对前驱体分子结构设计,合成了支化结构聚硅氮烷,并用异丙醇铝改性,通过改变投料比,合成了不同含铝量的聚铝硅氮烷前驱体。异丙醇铝加入量较高(投料比为1∶1)时,前驱体产生凝胶;异丙醇铝加入量合适的产物为黄色粘稠的液体。用FTIR,NMR对其结构进行了表征,研究表明PASZ前驱体结构中含有Si-N,Al-N等化学键,但异丙氧基不能反应完全,随着异丙醇铝加入量的提高而残留异丙氧基增多。  对PASZ前驱体的交联固化、裂解行为及高温下陶瓷的结构演变进行了研究。结果表明,前驱体在引发剂DCP的存在下可在较低温度下通过乙烯基进行交联固化。PASZ前驱体中异丙氧基会在裂解过程中进一步脱除,另一部分与Si-N键反应生成Si-O-Al结构,该结构会随着异丙醇铝加入量的变大而增多,在陶瓷产物中促进莫来石的析出。1000℃裂解以后陶瓷产率均较高,为65%以上。随着裂解温度的升高,莫来石晶体析出越多,且陶瓷体系中的游离碳由无序碳向有序的六元环转变,石墨层趋于规整。低铝含量的前驱体在1400℃裂解后的陶瓷产物中出现孔洞结构;1600℃裂解后产物中出现β-SiC和β-Si3N4晶粒。陶瓷抗氧化性研究表明,铝元素的存在抑制了O2的侵入,SiAlCN陶瓷抗氧化性能明显优于SiCN陶瓷。  用PASZ作为前驱体,以六亚甲基二异氰酸酯(HDI)为交联剂,通过溶胶凝胶法制备了SiAlCN多孔陶瓷。对SiAlCN纳米多孔陶瓷研究表明,凝胶反应主要发生-NCO和Si-N键的反应以及乙烯基聚合反应,HDI加入量超过40%时,-NCO基团不能完全反应。HDI在陶瓷化转变过程中完全裂解脱除。HDI加入量大于40%时,前驱体凝胶干燥时孔结构发生坍塌,HDI加入量为10%和20%的前驱体凝胶为多级孔结构,裂解后平均孔径明显变小,得到的陶瓷保留了较好的孔结构,形成多级纳米孔陶瓷。1400℃处理后,SiAlCN多孔陶瓷结晶不明显,仍具有较多的纳米孔结构,具有较好的高温稳定性。
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