專利名稱：Si-Al-O-C陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其涉及一種可耐高溫的陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
新材料的研制和應(yīng)用是目前科技發(fā)展的主要方向之一，先進(jìn)陶瓷材料是其中的一 個重要分支。由于SiOC陶瓷材料具有特殊的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，使其力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn) 定性等都要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的Si02材料；同時，SiOC陶瓷材料還可以有多樣化的分子結(jié)構(gòu)或 者成分，使其具有發(fā)光、介電等功能特性，可用作輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料、光學(xué)材料、電子封裝陶 瓷基片材料、鋰離子電池電極材料等，因此SiOC陶瓷材料得到了廣泛的關(guān)注和研究。目前，SiOC陶瓷材料主要是通過聚硅氧烷(PS0)在高溫條件下裂解轉(zhuǎn)化而成。聚 硅氧烷具有價格低、產(chǎn)量大、品種多、操作性好、易貯存、無毒和危險性小等優(yōu)點。由聚硅氧 烷轉(zhuǎn)化得到的SiOC陶瓷材料具有很高的性價比，是用低成本制備高性能陶瓷材料的理想 先驅(qū)體。然而，在溫度高于1200°c的環(huán)境中，SiOC陶瓷材料會發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和碳熱 還原反應(yīng)，產(chǎn)生明顯失重，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降或者功能特性喪失，無法適用于越來越高的 使用溫度條件的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種成本低廉、 熱穩(wěn)定性好的Si-Al-0-C陶瓷材料，以及一種工藝簡單、設(shè)備要求低的Si-Al-0-C陶瓷材料 的制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種Si-Al-0-C陶瓷材料，包括 Si元素、0元素和C元素，所述Si-Al-0-C陶瓷材料中包含有A1元素；所述Si、0、C、A1四 種元素在所述Si-Al-0-C陶瓷材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Si 27% 32%0 20% 24%C 25% 30% 和A1 14% 28%。作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述Si-Al-0-C陶瓷材料的制備方 法，包括以下步驟(1)準(zhǔn)備鋁溶膠根據(jù)A1源的不同采用不同的方法制備得到鋁溶膠；(2)制備凝膠用聚硅氧烷乙醇溶液與所述的鋁溶膠按(1 2) 5的體積比混 合，靜置后形成凝膠；所述聚硅氧烷含有Si-0H基團(tuán)；(3)制備先驅(qū)體將所述凝膠加熱到150°C 250°C，充分干燥后得到先驅(qū)體(一 般干燥8h 24h即可)；(4)制備Si-Al-0-C陶瓷材料利用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法將所述的先驅(qū)體在惰性氣氛下 進(jìn)行高溫裂解，高溫裂解的溫度為1000°c 1200°C，高溫裂解的時間為30min 60min，裂解完成后制備得到Si-Al-0-C陶瓷材料。上述制備方法中，所述A1源優(yōu)選為A1C13* 6H20，所述鋁溶膠則優(yōu)選為氫氧化 鋁溶膠；所述鋁溶膠的制備方法則優(yōu)選為在70°C 80°C范圍內(nèi)的恒溫條件下，將所述 A1C13*6H20溶于乙醇中，并向其中加入尿素，得到氫氧化鋁沉淀，用去離子水洗滌后使其溶 膠化，得到所述的鋁溶膠。上述制備方法中，所述A1源還可為仲丁醇鋁；所述鋁溶膠的制備方法則優(yōu)選為 在70°C 80°C范圍內(nèi)的恒溫條件下，將所述仲丁醇鋁和去離子水溶于pH值為2 4的乙 醇中，所述仲丁醇鋁、去離子水和乙醇的體積比為(4 10) (1 3) 100，攪拌均勻后 得到鋁溶膠。理論上，本發(fā)明的鋁源并不局限于上述列舉的鋁鹽，所有能制備出A1(0H)3溶膠的 鋁鹽都能作為本發(fā)明的鋁源。優(yōu)選的A1C13*6H20和仲丁醇鋁是無機(jī)鹽和有機(jī)鹽的代表，其 價格低廉，容易得到，且二者在乙醇中溶解度較大，可以大量引入，有利于降低生產(chǎn)成本、提 高Si-Al-0-C陶瓷材料的質(zhì)量。上述制備方法中，所述聚硅氧烷乙醇溶液的質(zhì)量濃度優(yōu)選為15% 30%。上述制備方法中，所述聚硅氧烷優(yōu)選為含有Si-OH基團(tuán)的硅樹脂。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本發(fā)明的Si-Al-0-C陶瓷材料，采用含有Si-OH基團(tuán)的聚硅氧烷制備聚硅氧烷 乙醇溶液，聚硅氧烷在乙醇溶液中通過Si-OH和A1-0H縮合在先驅(qū)體中引入鋁元素，成為改 性的先驅(qū)體，經(jīng)裂解得到Si-Al-0-C陶瓷。Si-Al-0-C陶瓷的原料來源廣泛且價格低廉，有 利于降低生產(chǎn)成本；在溫度大于1200°C環(huán)境時，仍能保持較穩(wěn)定的形態(tài)，質(zhì)量丟失少，熱穩(wěn) 定性更好，可適用于更高的溫度條件。2、本發(fā)明的Si-Al-0-C陶瓷材料的制備方法，制備工藝簡單，易于操作；制備過程 中，中間物質(zhì)形態(tài)穩(wěn)定，無需精密儀器，對設(shè)備要求低。


圖1是SiOC陶瓷材料經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟮腦RD譜圖；圖2是本發(fā)明實施例1的Si-Al-0-C陶瓷材料經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟮腦RD譜圖；圖3是本發(fā)明實施例2的Si-Al-0-C陶瓷材料經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟮腦RD譜圖；圖4是本發(fā)明實施例3的Si-Al-0-C陶瓷材料經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟮腦RD譜圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。實施例1本實施例的Si-Al-0-C陶瓷材料，包括Si元素、A1元素、0元素和C元素，其中， Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%，A1元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%，0元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%，C元素 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，其外觀呈黑色。該Si-Al-0-C陶瓷材料是通過以下步驟制備得到的1、材料準(zhǔn)備(1)在70°C恒溫條件下，取六水氯化鋁晶體(A1C13 6H20)溶解到乙醇中，其中， 鋁的含量為10g/L，并向其中加入適量的尿素，得到氫氧化鋁沉淀，用去離子水洗滌后，在80°C條件下恒溫超聲膠溶化，制備得到氫氧化鋁溶膠；(2)配制質(zhì)量濃度為30%的含有Si-OH基團(tuán)的硅樹脂乙醇溶液；2、制備凝膠將配制的30%的硅樹脂乙醇溶液和制得的氫氧化鋁溶膠按照體積 比1 5的比例混合，靜置24h后，形成凝膠；3、制備先驅(qū)體將得到的凝膠在空氣中加熱到150°C，干燥8h，得到鋁改性聚硅氧 烷先驅(qū)體；4、用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備Si-Al-0-C陶瓷材料將得到的鋁改性聚硅氧烷先驅(qū)體干 燥，然后將其置于1000°c的惰性氣體氣氛條件下進(jìn)行裂解，裂解時間保持lh，得到上述的 Si-Al-0-C陶瓷材料。對上述制得的Si-Al-0-C陶瓷材料與SiOC陶瓷材料分別進(jìn)行耐高溫測試，并采用 X射線衍射(XRD)法對其進(jìn)行分析。圖1為SiOC陶瓷材料的XRD譜圖，圖2為本實施例的 Si-Al-0-C陶瓷材料的XRD譜圖。由測試可知，在1200°C的高溫真空條件下，經(jīng)熱處理lh 后，SiOC陶瓷材料與Si-Al-0-C陶瓷材料的質(zhì)量保留率均為100%。在1400°C的高溫真空 條件下，經(jīng)熱處理lh后，SiOC陶瓷材料發(fā)生了碳熱還原反應(yīng)生成了 SiC，其質(zhì)量保留率為 54%,；而本實施例的Si-Al-0-C陶瓷材料中有莫來石(mullite)相生成，其質(zhì)量保留率為 91%，與SiOC陶瓷材料相比，其熱穩(wěn)定性明顯提高。實施例2 本實施例的Si-Al-0-C陶瓷材料，包括Si元素、A1元素、0元素和C元素，其中， Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%，A1元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%，0元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%，C元素 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，其外觀呈黑色。該Si-Al-0-C陶瓷材料是通過以下步驟制備得到的1、材料準(zhǔn)備(1)在70°C恒溫條件下，取仲丁醇鋁和去離子水加入PH值為3的乙醇中，所述仲 丁醇鋁、去離子水和乙醇的體積比為8 2 100，形成淡白色透明溶膠，即為氫氧化鋁溶 膠；(2)配制濃度為30%的含有Si-0H基團(tuán)的硅樹脂乙醇溶液；2、制備凝膠將得到的30%的硅樹脂乙醇溶液和氫氧化鋁溶膠按照體積比1 5 的比例混合，靜置24h后，形成凝膠；3、制備先驅(qū)體將得到的凝膠在空氣中加熱到150°C，干燥24h，得到鋁改性聚硅 氧烷先驅(qū)體；4、用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備Si-Al-0-C陶瓷材料將得到的鋁改性聚硅氧烷先驅(qū)體 干燥，然后將其置于1200°C的高溫惰性氣體氣氛條件下進(jìn)行裂解，持續(xù)lh，得到上述的 Si-Al-0-C陶瓷材料。對上述制得的Si-Al-0-C陶瓷材料進(jìn)行耐高溫測試，其X射線衍射分析(XRD)譜 圖如圖3所示。由測試可得，在1200°C的高溫真空條件下，經(jīng)熱處理lh后，本實施例的 Si-Al-0-C陶瓷材料的質(zhì)量保留率為100% ；在1400°C的高溫真空條件下，經(jīng)熱處理lh后， 本實施例的Si-Al-0-C陶瓷材料還保持無定形態(tài)，其質(zhì)量保留率為100 %，與SiOC陶瓷材料 相比，其熱穩(wěn)定性明顯提高，且其熱穩(wěn)定性比實施例1的Si-Al-0-C陶瓷材料更優(yōu)。實施例3 本實施例的Si-Al-0-C陶瓷材料，包括Si元素、A1元素、0元素和C元素，其中，
5Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%，A1元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%，0元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，C元素 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，其外觀呈黑色。該Si-Al-0-C陶瓷材料是通過以下步驟制備得到的1、材料準(zhǔn)備(1)在70°C恒溫條件下，取仲丁醇鋁和去離子水加入PH值為3的乙醇中，所述仲 丁醇鋁、去離子水和乙醇的體積比為8 2 100，形成淡白色透明溶膠，即為氫氧化鋁溶 膠；(2)配制濃度為15%的含有Si-OH基團(tuán)的硅樹脂乙醇溶液；2、制備凝膠將得到的15%的硅樹脂乙醇溶液和氫氧化鋁溶膠按照體積比1 5 的比例混合，靜置24h后，形成凝膠；3、制備先驅(qū)體將得到的凝膠在空氣中加熱到150°C，干燥24h，得到鋁改性聚硅 氧烷先驅(qū)體；4、用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備Si-Al-0-C陶瓷材料將得到的鋁改性聚硅氧烷先驅(qū)體 干燥，然后將其置于1200°C的高溫惰性氣體氣氛條件下進(jìn)行裂解，持續(xù)lh，得到上述的 Si-Al-0-C陶瓷材料。對上述制得的Si-Al-0-C陶瓷材料進(jìn)行耐高溫測試，其X射線衍射分析(XRD)譜 圖如圖4所示。由測試可得，在1200°C的高溫真空條件下，經(jīng)熱處理lh后，本實施例的 Si-Al-0-C陶瓷材料的質(zhì)量保留率為100% ；在1400°C的高溫真空條件下，經(jīng)熱處理lh后， 本實施例的Si-Al-0-C陶瓷材料中有莫來石(mullite)相生成，其質(zhì)量保留率為100%，與 Si-0-C陶瓷材料相比，其熱穩(wěn)定性明顯提高，且其熱穩(wěn)定性比實施例1的Si-Al-0-C陶瓷材 料更優(yōu)。由上述實施例可知，本發(fā)明的Si-Al-0-C陶瓷材料的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于SiOC陶瓷 材料，因此可適用于更高的溫度環(huán)境。同時，上述制備方法工藝過程簡單，進(jìn)行先驅(qū)體轉(zhuǎn)化 時還可以采用不同材料的纖維增強(qiáng)材料，或者選用不同分子結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷，以制備出具 有不同性能的耐高溫陶瓷材料。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于上述實施例，與 本發(fā)明構(gòu)思無實質(zhì)性差異的各種工藝方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種Si-Al-O-C陶瓷材料，包括Si元素、O元素和C元素，其特征在于所述Si-Al-O-C陶瓷材料中包含有Al元素；所述Si、O、C、Al四種元素在所述Si-Al-O-C陶瓷材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Si27％～32％O 20％～24％C 25％～30％和Al14％～28％。
2.—種Si-Al-0-C陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟(1)準(zhǔn)備鋁溶膠根據(jù)A1源的不同采用不同的方法制備得到鋁溶膠；(2)制備凝膠用聚硅氧烷乙醇溶液與所述的鋁溶膠按(1 2) 5的體積比混合，靜 置后形成凝膠；所述聚硅氧烷含有Si-OH基團(tuán)；(3)制備先驅(qū)體將所述凝膠加熱到150°C 250°C，充分干燥后得到先驅(qū)體；(4)制備Si-Al-0-C陶瓷材料利用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法將所述的先驅(qū)體在惰性氣氛下進(jìn)行 高溫裂解，高溫裂解的溫度為1000°C 1200°C，高溫裂解的時間為30min 60min，裂解完 成后制備得到Si-Al-0-C陶瓷材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述A1源為A1C13 6H20，所述鋁溶 膠為氫氧化鋁溶膠；所述鋁溶膠的制備方法為在70V 80°C范圍內(nèi)的恒溫條件下，將所 述A1C13 *6H20溶于乙醇中，并向其中加入尿素，得到氫氧化鋁沉淀，用去離子水洗滌后使其 溶膠化，得到鋁溶膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述A1源為仲丁醇鋁；所述鋁溶膠 的制備方法為在70°C 80°C范圍內(nèi)的恒溫條件下，將所述仲丁醇鋁和去離子水溶于pH值 為2 4的乙醇中，所述仲丁醇鋁、去離子水和乙醇的體積比為(4 10) (1 3) 100， 攪拌均勻后得到鋁溶膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的制備方法，其特征在于所述聚硅氧烷乙醇溶液的 質(zhì)量濃度為15% 30%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的制備方法，其特征在于所述聚硅氧烷為含有Si-OH 基團(tuán)的硅樹脂。
全文摘要
本發(fā)明屬于可耐高溫的陶瓷材料及其制備方法領(lǐng)域，公開了一種Si-Al-O-C陶瓷材料，包括Si元素、O元素和C元素，所述Si-Al-O-C陶瓷材料中包含有Al元素；所述Si、O、C、Al四種元素在所述Si-Al-O-C陶瓷材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為Si27％～32％，O20％～24％，C25％～30％和Al14％～28％。以及一種前述Si-Al-O-C陶瓷材料的制備方法，包括準(zhǔn)備鋁溶膠，制備凝膠，制備先驅(qū)體，制備Si-Al-O-C陶瓷材料等步驟。本發(fā)明具有成本低廉、熱穩(wěn)定性好且制備工藝簡單、對設(shè)備要求低等優(yōu)點。
文檔編號C04B35/624GK101857437SQ20101021388
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者徐天恒, 陳朝輝, 馬青松 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)