專利名稱：硅硼碳氮基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅硼碳氮復(fù)合材料的制備，具體為ー種硅硼碳氮基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
硅硼碳氮陶瓷具有輕質(zhì)、低熱膨脹系數(shù)、高硬度、高模量、耐腐蝕及優(yōu)異的耐高溫、 抗氧化和抗蠕變等性能，是重要的超高溫陶瓷系統(tǒng)，可應(yīng)用于高溫發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)、原子反應(yīng)堆壁、MEMS高溫傳感器、催化劑熱交換系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱保護(hù)系統(tǒng)及航空航天等裝置和高技術(shù)領(lǐng)域，因此，發(fā)展新型硅硼碳氮基復(fù)合材料具有重要應(yīng)用意義。硅硼碳氮陶瓷一般以聚硼硅氮烷為前驅(qū)體通過(guò)熱解制備，在聚硼硅氮烷中加入單質(zhì)或化合物粉(鎢/鈦/鐵/氮化鈦等)，可通過(guò)單質(zhì)或化合物粉與熱解聚硼硅氮烷產(chǎn)生的自由碳等反應(yīng)生成碳化物、氮化物等高溫相，制備硅硼碳氮與高溫相復(fù)合材料。加入的單質(zhì)或化合物粉也可不參與反應(yīng)，熱解制備硅硼碳氮與單質(zhì)或化合物的復(fù)合材料。加熱聚硼硅氮烷與單質(zhì)或化合物混合物，制備的硅硼碳氮基復(fù)合材料，可兼具硅硼碳氮耐高溫、抗氧化性能和復(fù)合相的性能，應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、電子等行業(yè)，及航空航天、原子能、熱保護(hù)系統(tǒng)等尖端技術(shù)領(lǐng)域。如鐵、鈷具有良好的磁性，鋁具有良好的導(dǎo)電性和抗氧化性，碳化鈦、碳化鎢具有耐高溫、高耐磨和高硬度，碳化硼有高硬度及良好中子吸收等性能，將這些單質(zhì)或化合物粉與聚硼硅氮烷混合，加熱可制備具有優(yōu)異磁性、力性或耐高溫等性能的新型的硅硼碳氮基復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種硅硼碳氮基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明是以聚硼硅氮烷和單質(zhì)或化合物粉為原料，經(jīng)混合和加熱，形成硅硼碳氮基復(fù)合材料。本發(fā)明技術(shù)拓寬了在硅硼碳氮中引入元素的種類，可以大范圍調(diào)控引入元素的含量，制備具有優(yōu)異磁性、 力性和耐高溫、抗氧化等性能的硅硼碳氮基復(fù)合材料。本發(fā)明提供的硅硼碳氮基復(fù)合材料是以聚硼硅氮烷和單質(zhì)或化合物粉為原料，混合后加熱制備的。典型制備步驟為將單質(zhì)或化合物粉加入聚硼硅氮烷液，50 500°C下加熱得聚硼硅氮烷與單質(zhì)或化合物粉的混合物；或?qū)⒕叟鸸璧榕c單質(zhì)或化合物粉混合， 600 2000で惰性或活性氣氛下加熱該混合物制備。所述的硅硼碳氮復(fù)合材料中的復(fù)合相為金屬、非金屬單質(zhì)及其化合物中的ー種或 ー種以上的混合物，所述金屬單質(zhì)包括鎢、鈦、鋯、鉿、錳、鐵、鈷、鋁、鉈、鉬及稀有金屬等，所述非金屬單質(zhì)包括硼、硅等，所述化合物包括氮化硼、碳化硼、氮化硅、金屬化合物等。所述的聚硼硅氮烷是含硅、硼和氮的有機(jī)聚合物，加熱形成的硅硼碳氮陶瓷。所述的單質(zhì)和化合物粉選自鎢、鈦、鋯、鉿、鋁、鉈、錳、鐵、鈷、鉬及稀有金屬等金屬粉，硼、硅等非金屬粉，氮化硼、碳化硼、氮化硅、金屬化合物等化合物粉，粒徑0. 001 500 μ m0
所述用于合成聚硼硅氮烷的硅源包括乙烯基氯硅烷、二(三甲基硅基)碳酰二亞胺、六甲基二硅氮烷、乙烯基聚硅氮烷、氫化聚硅氮烷等，硼源包括硫醚硼烷、三氯化硼、環(huán)硼氮烷等，氮源包括氨氣、甲胺等。所述的乙烯基氯硅烷包括甲基乙烯基二氯硅烷、氫基乙烯基二氯硅烷、乙烯基三氯硅烷等含乙烯基的氯硅烷。所述聚硼硅氮烷與單質(zhì)或化合物粉的質(zhì)量份數(shù)比為100 1 1000。加熱溫度優(yōu)選 1000 1600°C。所述惰性或活性氣氛為氬氣、氦氣、氮?dú)?、氨氣、空氣中的至少一種，優(yōu)選為氬氣、 氦氣、氮?dú)?、氨氣中的至少一種。所述聚硼硅氮烷與單質(zhì)或化合物粉混合物在含空氣的氣氛中加熱形成含氧的硅硼碳氮基復(fù)合材料。本發(fā)明提供了一種硅硼碳氮基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明技術(shù)以聚硼硅氮烷和單質(zhì)或化合物粉為原料，經(jīng)混合和加熱，形成硅硼碳氮基復(fù)合材料。相對(duì)通過(guò)分子反應(yīng)在聚硼硅氮烷中引入金屬等元素，加熱制備硅硼碳氮基復(fù)合材料的方法，本發(fā)明技術(shù)拓寬了在硅硼碳氮中引入元素的種類，可大范圍調(diào)控引入元素的含量，制備具有優(yōu)異磁性、力性和耐高溫、抗氧化等性能的硅硼碳氮基復(fù)合材料，應(yīng)用于機(jī)械、冶金、陶瓷、化工等行業(yè)和航空航天、高溫系統(tǒng)等領(lǐng)域。


圖1 由本發(fā)明技術(shù)制備的硅硼碳氮與碳化鎢復(fù)合材料的SEM圖。圖2 由本發(fā)明技術(shù)制備的硅硼碳氮與碳化鎢復(fù)合材料的FIlR圖。圖3 由本發(fā)明技術(shù)制備的硅硼碳氮與碳化鎢復(fù)合材料的XRD圖。圖4 由本發(fā)明技術(shù)制備的硅硼碳氮與碳化硼復(fù)合材料的光學(xué)照片。圖5 由本發(fā)明技術(shù)制備的硅硼碳氮與碳化硼復(fù)合材料的FIlR圖。圖6 由本發(fā)明技術(shù)制備的硅硼碳氮與碳化硼復(fù)合材料的XRD圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 :以氨氣為氮源氨解甲基乙烯基二氯硅烷形成聚硅氮烷，再以二甲基硫醚硼烷為硼源硼氫化聚硅氮烷得到聚硼硅氮烷(硼氫化反應(yīng)合成聚硼硅氮烷和熱壓成型-熱解制備SiBCN陶瓷.硅酸鹽學(xué)報(bào)，38，1533-37，2010)。將聚硼硅氮烷(8. 9g)溶于甲苯(50ml)，加入鎢粉(2. 2g，粒徑約50nm)，超聲分散混合，磁力攪拌蒸餾去甲苯溶劑，得到聚硼硅氮烷與鎢粉混合物，含鎢20wt. %。1200°C氬氣下加熱該混合物池，制得硅硼碳氮與碳化鎢復(fù)合材料。用掃描電鏡觀察該復(fù)合材料表面平整致密，如附圖1 ；紅外光譜分析材料有Si-C、Si-N, B-N和B-C等特征峰，如附圖2 ；X-射線衍射分析材料主要含碳化鎢晶相和少量的β-SiC，如附圖3。實(shí)施例2 采用本發(fā)明技術(shù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和條件同實(shí)施例1，改變加入鎢的量為8. 9g， 去甲苯溶劑得含鎢50wt. %的聚硼硅氮烷與鎢粉混合物，加熱該混合物制得硅硼碳氮與碳化鎢復(fù)合材料。實(shí)施例3 采用本發(fā)明技術(shù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和條件同實(shí)施例1，改變熱解溫度為1500°C，
4加熱制得硅硼碳氮與碳化鎢復(fù)合材料。實(shí)施例4 采用本發(fā)明技木，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和條件同實(shí)施例1，不同之處是將鎢粉換為鈦粉(粒徑，約50nm)，加入鈦粉量為1.6g，去甲苯溶劑得含鈦15wt. %的聚硼硅氮烷與鈦粉混合物，1300°C加熱該混合物制得硅硼碳氮與碳化鈦復(fù)合材料。實(shí)施例6 采用本發(fā)明技木，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和條件同實(shí)施例4，改變熱解溫度為1500°C， 加熱制得硅硼碳氮與碳化鈦復(fù)合材料。實(shí)施例7 采用本發(fā)明技木，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和條件同實(shí)施例1，不同之處是將鎢粉換為硼粉(粒徑約1 μ m)，加入硼粉量為3. Og,去甲苯溶劑得含硼25wt. %的聚硼硅氮烷與硼粉混合物，取該混合物(0. 5g)，用研缽研磨，過(guò)90目篩(粒徑彡150 μ m)，壓片成型，1400°C加熱得硅硼碳氮與碳化硼復(fù)合材料。實(shí)施例8 采用本發(fā)明技木，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和條件同實(shí)施例1，不同之處是將鎢粉換為氮化鈦粉(粒徑約ι μ m)，加入氮化鈦粉量為17. Sg,去甲苯溶劑得含氮化鈦67wt. %的聚硼硅氮烷與氮化鈦粉混合物，1600°C加熱該混合物制得硅硼碳氮與氮化鈦復(fù)合材料。實(shí)施例9:采用本發(fā)明技木，聚硼硅氮烷的合成過(guò)程和條件同實(shí)施例1，將鎢粉 (5g，粒徑約50nm)與聚硼硅氮烷(5g)混合，氬氣氣氛手套箱中用研缽研磨使其混合均勻， 得含鎢50wt. %的聚硼硅氮烷與鎢粉混合物，1500°C氬氣下加熱制得硅硼碳氮與碳化鎢復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.ー種硅硼碳氮基復(fù)合材料，其特征在于它是以聚硼硅氮烷和單質(zhì)或化合物粉為原料，經(jīng)混合和加熱，形成硅硼碳氮基復(fù)合材料，其中包含與硅硼碳氮復(fù)合的復(fù)合相。
2.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的聚硼硅氮烷是含硅、硼和氮的有機(jī)聚合物，加熱形成硅硼碳氮陶瓷。
3.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的單質(zhì)或化合物粉選自鎢、鈦、 鋯、鉿、錳、鐵、鈷、鋁、鉈及稀有金屬粉，硼、硅非金屬粉，金屬化合物、氮化硼、碳化硼、氮化硅化合物粉。
4.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的復(fù)合材料中的復(fù)合相為金屬、 非金屬單質(zhì)及其化合物中的ー種或ー種以上的混合物；所述金屬單質(zhì)包括鎢、鈦、鋯、鉿、 錳、鐵、鈷、鋁、鉈及稀有金屬，非金屬單質(zhì)包括硼、硅，化合物包括氮化硼、碳化硼、氮化硅及金屬化合物。
5.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的聚硼硅氮烷是以氨氣為氮源氨解乙烯基氯硅烷形成聚硅氮烷，進(jìn)而與ニ甲基硫醚硼烷硼氫化反應(yīng)合成的有機(jī)聚合物；所述的乙烯基氯硅烷包括甲基乙烯基ニ氯硅烷、氫基乙烯基ニ氯硅烷或乙烯基三氯硅烷。
6.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的硅硼碳氮基復(fù)合材料中的復(fù)合相為碳化鎢、碳化鈦和碳化硼。
7.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于所述的單質(zhì)粉為鎢、鈦或硼粉。
8.—種權(quán)利要求1所述的硅硼碳氮基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將聚硼硅氮烷與單質(zhì)或化合物粉按照質(zhì)量份數(shù)比100 1 1000的比例混合；2)惰性或活性氣氛下，加熱聚硼硅氮烷與單質(zhì)或化合物粉的混合物，以1 20°C/min 的升溫速率升至600 2000°C，制得硅硼碳氮基復(fù)合材料。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的混合為將單質(zhì)或化合物粉加入聚硼硅氮烷液，50 500°C下加熱得聚硼硅氮烷與單質(zhì)或化合物粉的混合物；或?qū)⒕叟鸸璧榕c單質(zhì)或化合物粉直接混合，1000 1600°C加熱形成硅硼碳氮基復(fù)合材料。
10.按照權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述的合成聚硼硅氮烷的硅源包括乙烯基氯硅烷、ニ(三甲基硅基)碳酰ニ亞胺、六甲基ニ硅氮烷、乙烯基聚硅氮烷、氫化聚硅氮烷，硼源包括硫醚硼烷、三氯化硼、環(huán)硼氮烷，氮源包括氨氣、甲胺。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅硼碳氮基復(fù)合材料及制備方法。本發(fā)明是以聚硼硅氮烷和鎢、鈦、硼、氮化鈦等單質(zhì)或化合物粉為原料，混合后加熱，形成硅硼碳氮基復(fù)合材料。典型制備步驟為將單質(zhì)或化合物粉加入聚硼硅氮烷液，50～500℃下加熱得聚硼硅氮烷與單質(zhì)或化合物粉的混合物；或?qū)⒕叟鸸璧榕c單質(zhì)或化合物粉混合，600～2000℃惰性或活性氣氛下加熱該混合物制備。本發(fā)明技術(shù)可將各種單質(zhì)或化合物與硅硼碳氮復(fù)合，大范圍調(diào)控引入單質(zhì)或化合物的含量，制備含多種組分的硅硼碳氮基復(fù)合材料。本發(fā)明技術(shù)制備的硅硼碳氮基復(fù)合材料具有耐高溫、抗氧化、抗高溫蠕變等優(yōu)異性能，可應(yīng)用于航空航天和高溫系統(tǒng)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C04B35/515GK102557637SQ20111041795
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者孟凡星, 李亞利 申請(qǐng)人:天津大學(xué)