碳化锆复相陶瓷前驱体的合成与理化性能研究

来源 :国防科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jorry1983
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先驱体转化法制备超高温陶瓷具有组成结构可设计、成型温度低、设备简单等优点,是制备结构功能一体化陶瓷材料的重要方法。为解决有氧先驱体由于高温碳热还原而导致的陶瓷产率低、孔隙率高和成本高等缺点,本论文通过自由基聚合反应,制备了ZrC/C、ZrC/SiC和ZrC/SiBNC三种无氧的超高温陶瓷先驱体。其中ZrC/C陶瓷先驱体的合成是基础,其它两种超高温陶瓷先驱体则是在ZrC/C陶瓷先驱体的基础上加入低分子量聚碳硅烷(LPCS)或低分子量聚硼硅氮烷(LPBSZ)进行共聚,目的是为了引入Si和B等元素,提高ZrC陶瓷的抗氧化性能。三种先驱体均具有较高的陶瓷产率和低的陶瓷化温度,且具备一定的成型性能。Cp2ZrCl2与烯丙基氯化镁直接反应得到活性单体二烯丙基二茂化锆,经自由基聚合制备了ZrC/C陶瓷先驱体聚锆烷(PZC)。PZC氧含量低于3.5wt%,软化点约为160℃,且能够溶解于二甲苯、甲苯、四氢呋喃和二甲基甲酰胺等有机溶剂,1000℃热解的陶瓷产率达72wt%。PZC在1200℃转变为ZrC/C纳米复相陶瓷,其中ZrC纳米颗粒作为纳米相,均匀分布在C基体中。ZrC/C陶瓷具有优异的耐高温稳定性能,在高温下ZrC纳米颗粒的长大受到明显抑制。2400℃的高温处理后,ZrC/C陶瓷的质量损失仅为4.4wt%,且保持微晶结构。ZrC/C陶瓷中Zr和C的原子比为1:3.5,富余较多的碳。二烯丙基二茂化锆与LPCS共聚反应制备了ZrC/SiC陶瓷先驱体PZC-PCS,通过调节二者比例可以对先驱体中的元素组成进行调控。PZC-PCS氧含量低于3.0wt%,软化点约为180℃,且能够溶解于二甲苯、甲苯、四氢呋喃和二甲基甲酰胺等有机溶剂,1000℃的陶瓷产率大于78wt%。二烯丙基二茂化锆中的碳碳双键与LPCS中的Si-H发生硅氢加成和取代反应,分别生成C-Si键和Zr-Si键。PZC-PCS在1400℃下转变为ZrC/SiC陶瓷,ZrC和SiC纳米颗粒均匀分布在C基体中。ZrC/SiC具有优异的耐高温稳定性能,2200℃高温处理后质量损失少于5wt%,且保持纳米晶结构。Si元素的加入对ZrC晶粒长大具有明显抑制作用。向二烯丙基二茂化锆单体溶液中加入不同比例的LPBSZ,经自由基共聚反应制备了ZrC/SiBNC陶瓷先驱体PZC-PBSZ。PZC-PBSZ的氧含量低于2.0wt%,软化点约为140℃,且能够溶解于二甲苯、甲苯、四氢呋喃和二甲基甲酰胺等有机溶剂。二烯丙基二茂化锆中的碳碳双键与LPBSZ中的Si-H发生硅氢加成和取代反应,分别生成C-Si键和Zr-Si键。PZC-PBSZ在1200℃下转变为ZrC/SiBNC陶瓷,其中ZrC纳米颗粒均匀分散在无定形SiBNC基体中。ZrC纳米颗粒的引入使得SiBNC陶瓷基体的高温稳定性能得到改善,同时SiBNC的存在提高了ZrC纳米颗粒的抗氧化性能。经1800℃高温处理后,ZrC纳米颗粒与SiBNC基体反应,转变为更加稳定的ZrB2相。不同组分的陶瓷产物微观形貌和结构区别很大,但都保持均匀的微晶结构。
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