[发明专利]超细直径SiBCN陶瓷纤维的制备方法

说明书

本发明提供了一种超细直径SiBCN陶瓷纤维的制备方法，包括：配置癸硼烷溶液、二胺溶液和聚乙烯基吡咯烷酮溶液；将二胺溶液滴加至癸硼烷溶液中，在室温下反应10h以上，之后在55～65℃恒温水浴条件下真空蒸馏8～12h，得到含硅聚硼氮烷；向含硅聚硼氮烷中加入聚乙烯基吡咯烷酮溶液，并进行超声处理，得到透明的纺丝液；将纺丝液进行静电纺丝处理，得到超细纤维；将超细纤维置于烧结炉中，在惰性气氛下以1～5℃/min的升温速率从室温升温至1400～1600℃，随炉冷却至100℃以下，即得超细直径SiBCN陶瓷纤维。该合成方法简单易行，适用于制备柔性、耐高温、隔热等多功能材料的应用领域。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，特别地，涉及超细直径SiBCN陶瓷纤维的制备方法。

背景技术

SiBCN陶瓷是一类主要由Si、B、C、N等四种元素组成的陶瓷材料，由于具有典型的共价键陶瓷特性以及低的原子迁移速率，具有非常突出的高温稳定性，因而在航空航天及其他热结构材料中具有广泛的应用前景。同时，由于四种元素构成多种不同介电性质的微结构，如Si3N4、BN等绝缘性质，SiC的半导体性质，C的导电性质，因而还会表现出大范围的介电性能调控能力，从而用作特殊的电磁波介质材料。

聚合物先驱体转化法，是制备SiBCN陶瓷材料的重要方法，已经成功用于制备陶瓷纤维、涂层、微纳米结构和复合材料等。降低纤维直径能够增加纤维比表面积和柔性，拓展应用领域。利用聚合物的加工成型方法，制备SiBCN超细纤维具有重要的应用前景，但是相关的公开报道仍屈指可数。德国科研人员(J.Mater.Chem.,2012,22,2099-2104.)首先利用DMTA(Cl₃Si-N(CH₃)-BCl₂)与甲胺聚合物得到的聚硼硅氮烷，然后采用静电纺丝方法制备SiBNC纳米纤维，进一步涂敷氧化锡后具有良好的气敏性能。伊朗科研人员(CeramicsInternational 46(2020)6052–6059.)进一步研究了DMTA聚合物的不同静电纺丝工艺对纳米纤维形态的影响。上述报道中，聚合物的合成及其静电纺丝过程都需要无水无氧的合成环境和静电纺丝设备，还需要进行氨气或氯硅烷的交联处理过程，工艺复杂，不利于规模化制备SiBCN超细纤维。

发明内容

本发明目的在于提供一种超细直径SiBCN陶瓷纤维的制备方法，首先采用双分子合成的SiBCN陶瓷先驱体聚合物为原材料，通过静电纺丝方法制备出超细纤维，高温陶瓷化后得到超细直径的SiBCN陶瓷纤维；该合成方法简单易行，成本低且组分可控。

为实现上述目的，本发明提供了一种超细直径SiBCN陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、以癸硼烷、含硅元素的二胺化合物和聚乙烯基吡咯烷酮为原料，将癸硼烷和含硅元素的二胺化合物分别溶解在四氢呋喃中得到癸硼烷溶液和二胺溶液，将聚乙烯基吡咯烷酮溶解在N,N’-二甲基甲酰胺中得到聚乙烯基吡咯烷酮溶液；

步骤2、将所述二胺溶液滴加至癸硼烷溶液中，在室温下反应10h以上，之后在55-65℃恒温水浴条件下真空蒸馏8～12h，得到含硅聚硼氮烷；

步骤3、向步骤2制得的含硅聚硼氮烷中加入聚乙烯基吡咯烷酮溶液，并进行超声处理，得到透明的纺丝液；

步骤4、将步骤3制得的纺丝液进行静电纺丝处理，得到超细纤维；

步骤5、将步骤4制得的超细纤维置于烧结炉中，在惰性气氛下以1～5℃/min的升温速率从室温升温至1400～1600℃，随炉冷却至100℃以下，即得超细直径SiBCN陶瓷纤维。

进一步的，步骤1中，所述癸硼烷、含硅元素的二胺化合物和聚乙烯基吡咯烷酮的物质的量之比为1：1.1～1.2：0.5～1.0。

进一步的，步骤1中，所述含硅元素的二胺化合物为含有两个及两个以上氮原子同时含有一个或多个硅原子的化合物。