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聚合物先驱体陶瓷(PDC)法的研究中,陶瓷产率是一个重要参数。高的陶瓷产率意味着裂解挥发成分少,利于获得致密的陶瓷材料。聚合物先驱体是PDC法的基础原料,聚合物先驱体的分子结构不仅影响陶瓷的组成,也影响着陶瓷的微观结构,决定了陶瓷最终的性能。因此,建立先驱体分子结构与陶瓷产率之间的联系尤为重要,但是目前此类研究尚不多见。 本文通过合成一系列的树形聚碳硅烷,探讨了聚碳硅烷的分子结构对先驱体陶瓷化转变以及最终陶瓷产率的影响。文章共分为三部分: 第一部分,利用迭代法合成了树枝状聚碳硅烷(简称K3G3),研究了K3G3的交联与陶瓷化转变机理。结果表明,K3G3的交联反应为碳碳双键的自加成反应,该反应在300℃时反应完全。高温裂解过程中,400℃~600℃质量损失最大,此阶段主要反应是长链Si-CH2CH2CH2-Si和Si-CH2CH2-Si结构的断裂重排,生成更稳定的Si-CH2-Si结构,并伴随着小分子烷烃以及有机硅化合物的生成,而这些分子的释放直接导致K3G3的质量损失,直接决定了最终的陶瓷产率。 第二部分,利用核多步法合成了树形聚合物先驱体(简称G3),对G3与K3G3的分子结构与陶瓷化转变过程进行对比分析。结果表明,G3与K3G3的分子摩尔质量相近,最大的区别体现在C=C的分布方式上,G3的C=C官能团同时分布在分子内外层,而K3G3的C=C官能团主要分布在分子最外层。因此,通过C=C键的加成反应进行交联后,G3形成较为致密的网络结构,而K3G3的交联结构较G3更为疏松,而且交联点间的分子链更长,而长链分子比短链分子的化学能低,使得K3G3比G3在更低温度发生断裂重排反应,在TG曲线上更早出现质量损失拐点,与此同时,长链分子比短链分子更容易断裂,产生小分子,造成质量损失,使得K3G3在1000℃的质量保留率仅为18%,远低于G3的35%。 第三部分,在G3的基础上,通过核多步法,合成了分子摩尔质量更高的聚合物先驱体(分别简称G4与G5)。对G3、G4、G5的分子结构与陶瓷化转变过程进行对比分析。结果表明,G3、G4、G5的分子结构相似,随着G3、G4、G5分子摩尔质量依次增大,三者的陶瓷产率逐渐提高,G5在1000℃的陶瓷产率已经达到67.6%。此外,G5在900℃裂解制备的陶瓷经1600℃热处理后的产物表面生长出SiC纳米棒。分析可知,SiC纳米棒的生长符合气相-固相(VS)机制,陶瓷中的富碳对纳米棒的生长起到决定性作用。