[发明专利]无氧溶胶－凝胶反应制备致密碳氮化硅陶瓷的方法

说明书

                        技术领域

本发明涉及一种采用氯硅烷与亚酰胺通过无氧溶胶-凝胶反应制备致密碳氮化硅陶瓷的方法，属于陶瓷制备技术领域。

                        背景技术

碳氮化硅陶瓷是一种高温结构材料，可广泛的应用于航空航天结构部件、高温发动机、涡轮机、原子能反应堆壁、催化剂热交换器及燃烧系统、MEMS(microelectromechanic system)高温传感器等领域。目前，高温结构部件主要为SiC、Si₃N₄及其复合材料，但SiC、Si₃N₄及其复合材料等高温结构陶瓷只能在1200℃～1300℃以下长期稳定使用，1400℃在燃气环境中因其高挥发性能而不能使用。此外，这些材料具有本征弱点，如脆性、低韧性、低塑性、加工性差等导致材料可靠性差。对于应用于1500℃以上的结构部件，还没有高强度的材料可长时间稳定使用。碳氮化硅陶瓷具有超强的耐高温(1600～2000℃)、抗氧化和耐化学腐蚀、高温抗蠕变(高温几乎无蠕变)等优异特性，是一种极端恶劣环境使用的理想材料。目前，国外仅有少数研究人员通过无氧溶胶-凝胶法采用氯硅烷与亚酰胺反应制备出碳氮化硅陶瓷，但所制备的碳氮化硅陶瓷产率低(在1000℃时为30wt.％～58wt.％)、易发泡，还具有收缩大、气孔多、易开裂等缺陷。至今未见采用无氧溶胶-凝胶反应制备致密碳氮化硅陶瓷的相关报道。

                        发明内容

本发明的目的在于提供一种采用氯硅烷与亚酰胺通过无氧溶胶-凝胶反应制备致密碳氮化硅陶瓷的方法。此方法制备的碳氮化硅陶瓷耐高温，致密性高。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的：氯硅烷与亚酰胺通过无氧溶胶-凝胶反应制备致密碳氮化硅陶瓷。其特征在于包括以下具体过程：采用三氯氢硅烷、三氯甲基硅烷、三氯乙烯硅烷或三氯苯基硅烷与三甲基硅基碳化二亚酰胺、三乙烯基硅基碳化二亚酰胺或三苯基硅基碳化二亚酰胺按摩尔比为12∶1～1∶12混合作前驱体，将混合前驱体溶于甲苯、二甲苯或四氢呋喃中，按甲苯、二甲苯或四氢呋喃与氯硅烷摩尔比100∶1～1∶1配制成溶液，在10～150℃下氩气、氮气或它们的混合气氛中反应形成凝胶，将凝胶在20～300℃下干燥，所得干凝胶在500～2000℃下热裂解，升温速率1～100℃/min，保温时间5min～20h，以降温速率1～100℃/min降至20～30℃，制得致密碳氮化硅陶瓷。

上述三氯氢硅烷、三氯甲基硅烷、三氯乙烯硅烷或三氯苯基硅烷与三甲基硅基碳化二亚酰胺、三乙烯基硅基碳化二亚酰胺或三苯基硅基碳化二亚酰胺摩尔比为3∶1～1∶3；甲苯、二甲苯或四氢呋喃溶剂与氯硅烷摩尔比10∶1～1∶1。

本发明的优点在于制备的碳氮化硅陶瓷不发泡、无裂纹、无气孔、高度致密化。具有优良的耐高温，使用温度可达1600℃、抗氧化性和耐化学腐蚀性能，在航空航天、原子能、高温传感器、能源等高技术领域具有广泛的应用前景。

                        附图说明

图1：为本发明实施例一制得致密碳氮化硅陶瓷的SEM照片。

图2：为本发明实施例二制得致密碳氮化硅陶瓷的SEM照片。

图3：为本发明实施例三制得致密碳氮化硅陶瓷的SEM照片。

图4：为本发明实施例四制得致密碳氮化硅陶瓷的SEM照片。

图5：为本发明实施例五制得致密碳氮化硅陶瓷的SEM照片。

                      具体实施方式

实施例一：在35℃下氩气气氛中，将1ml乙烯基三氯硅烷和2.7ml三甲基硅氮化二亚酰胺与7.6ml甲苯混合反应形成凝胶，将凝胶在150℃下干燥，所得干凝胶在1200℃下热裂解，升温速率15℃/min，保温时间1h，降温速率20℃/min，降至20～30℃，制得致密碳氮化硅陶瓷。

实施例二：在35℃下氮气气氛中，将1ml甲基三氯硅烷和5.4ml三乙烯基硅氮化二亚酰胺与7.6ml二甲苯混合反应形成凝胶，将凝胶在150℃下干燥，所得干凝胶在1200℃下热裂解，升温速率5℃/min，保温时间4h，降温速率5℃/min，降至20～30℃，制得致密碳氮化硅陶瓷。如图1所示。