无氧溶胶-凝胶反应合成结构可控SiCN陶瓷

来源 :天津大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:william__2008
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碳氮化硅陶瓷(SiCN)以其耐高温、耐热冲击、低膨胀系数、抗氧化、抗化学腐蚀和半导体性等优异性能,在高温领域、传感器、光电子器件、能源等高技术领域有重要的应用前景。德国学者上世纪90年代开始报导采用聚硅烷交联-成型-热解可制备SiCN致密体陶瓷,其后发现采用双(三甲基硅基)碳化二亚酰胺[Me3Si-N=C=N-SiMe3(BTSC)]与氯硅烷反应可形成SiCN凝胶,即无氧溶胶凝胶反应,这意味着可仿效众所周知的有氧溶胶凝胶过程制备各种结构的SiCN陶瓷,为液相合成这一高性能陶瓷开辟了新途径。但先前学者均采用单一氯硅烷与BTSC进行凝胶反应,经热解没能获得三维SiCN陶瓷。针对此问题,本工作采用高交联活性的乙烯基三氯硅烷和BTSC反应,经热解成功地合成出致密SiCN陶瓷体,进而采用二氯和三氯硅烷混合反应,以三氯硅烷反应构建凝胶网络二氯硅烷为链状镶嵌结构,经热解实现无模板合成出结构可控的多孔SiCN陶瓷体。主要研究内容和结果如下:1.采用CH2=CHSiCl3和BTSC在甲苯溶剂中进行缩合反应合成具有三维空间结构的SiCN凝胶,该凝胶具有较高的陶瓷产率(在1200℃时陶瓷产率达68 wt.%)。对凝胶进行热解获得致密非晶SiCN陶瓷,SiCN陶瓷在1200℃开始析晶,在1400℃形成棒状α-Si3N4。2.采用CH2=CHSiCl3和(CH32SiCl2与BTSC反应,在35℃氩气气氛下获得无相分离的白色SiCN凝胶。在1200℃下热解凝胶获得圆孔状SiCN陶瓷,空隙范围0.05μm~4μm,进而研究发现圆孔SiCN陶瓷孔的尺寸和气孔率均可调。孔径随着R(其中R=(CH32SiCl2/CH2=CHSiCl3)的减少而减小;气孔率随着R减少而增加。3.采用CH2=CHSiCl3和CH3HSiCl2与BTSC反应,在35℃氩气气氛下获得SiCN凝胶,该凝胶具有高度透明的特征。在1200℃下热解凝胶直接获得高度孔隙率的多孔SiCN陶瓷,气孔率达92%,该孔隙率大大高于采用模板法制备的多孔SiCN陶瓷的气孔率(<80%)。以上研究表明采用无氧溶胶-凝胶反应,通过分子的设计可控制备致密和多孔SiCN陶瓷,其中多孔SiCN陶瓷的孔径和气孔率是可调的。这对SiCN的高性能结构和功能应用具有重要的意义。同时,氯硅烷混合分子设计新思路可拓展制备其它陶瓷的溶胶-凝胶反应,具有重要的科学意义。
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