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SiBONC陶瓷的制备与热稳定性研究

2020-11-23阅读(952)

SiBONC陶瓷的制备与热稳定性研究

论文摘要

本文采用差热-热重（TG-DTA）分析、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、红外光谱（FT-IR）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）以及力学性能测试等方法研究了有机聚合物先驱体法制备的SiBONC陶瓷材料的有机先驱体聚合、有机先驱体热分解、有机先驱体裂解粉体的化学键结构和形貌特征、先驱体裂解粉体烧结陶瓷的结构与力学性能、SiBONC陶瓷的析晶机理和热分解机理。选用四氯化硅（SiCl4）、高含氢甲基硅油（HPSO）和三氯化硼（BCl3）为原料成功制备了SiBONC有机先驱体。有机先驱体具有可溶解性、可聚合性以及较高的结构稳定性。同时合成条件比较温和。甲苯是一种有效的溶剂,其用量可以控制反应速度和反应程度。通过控制反应温度及交联剂的用量可以得到不同Si/B比的先驱体。交联反应主要是≡Si-Cl（H）与H-NH-基团之间的聚合反应,得到的先驱体通过Si-O-Si结构和苯胺或者乙二胺形成环状或者网状聚合物,硼原子以B-N键为主要存在方式得到了固定。先驱体裂解陶瓷产率较高,最高达到57%。先驱体裂解获得的陶瓷粉体呈非晶态结构特征,主要由Si、B、O、N、C五种元素组成,组合成Si-N、Si-O-N、Si-O-Si和O-Si-N-B、B-N、Si-C等基团。先驱体裂解过程分为低温和高温两个阶段,低温区结合能较低的基团分解,产生含有Si?、C?、O?、N?等自由基的带电荷基团,高温阶段Si-O/Si-O、Si-O/Si-C、Si-H/Si-O、Si-O/Si-N、Si-N/Si-C、B-N-Si-O之间发生重排反应,产生C-Si-O、O-Si-N-B等基团。先驱体裂解粉体粒径在50-150nm之间,粉体主要由球状颗粒组成。球状颗粒间呈链状及团状联接。先驱体裂解粉末通过热压烧结得到几乎完全致密的SiBONC非晶与微晶陶瓷,陶瓷材料的密度较低在1.9-2.2g/cm3之间。陶瓷的力学性能优于一般的非晶态材料,抗弯强度最高值可以达到为185MPa、维氏硬度为3.86GPa、断裂韧性为2.55MPa·m1/2;材料在1700oC烧结时析出了纳米尺度的SiC颗粒,并且生成了表面含B的纳米纤维,其直径在100nm左右。SiBONC陶瓷材料具有非常高的热稳定性,其非晶态结构可以保持到1800oC,失重很小,在1900oC热处理时其失重只有5%左右。其析晶机理主要为有机硅材料的BSU形核理论。但是某些成分的SiBONC陶瓷粉末坯体及陶瓷块体在高温热处理时,会在表面形成大量的SiC纳米线。同时对在研

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 前言
  • 1.2 陶瓷粉体制备方法概况
  • 1.2.1 机械法
  • 1.2.2 合成法
  • 1.2.3 先驱体转化法
  • 1.3 有机硅先驱体法制备陶瓷材料研究概况
  • 1.3.1 有机硅先驱体转化制备陶瓷纤维研究
  • 1.3.2 有机硅先驱体转化制备陶瓷薄膜研究
  • 1.3.3 有机硅先驱体转化制备陶瓷粉体
  • 1.3.4 有机硅先驱体转化制备块体材料研究
  • 1.3.5 聚硅氧烷（PSO）转化制备陶瓷材料概况
  • 1.4 新型硅基高温陶瓷的研究概况
  • 1.4.1 SiCN 陶瓷的研究和性能
  • 1.4.2 SiBCN 陶瓷的研究和性能
  • 1.4.3 SiBON 材料的研究概况
  • 1.4.4 SiBCO 陶瓷的研究和性能
  • 1.4.5 其他硅基多元陶瓷的研究性能
  • 1.5 研究目的及主要研究内容
  • 第2章 试验材料及研究方法
  • 2.1 试验用主要原材料及仪器
  • 2.2 SiBONC 先驱体及陶瓷的命名
  • 2.3 SiBONC 先驱体及陶瓷的制备
  • 2.3.1 先驱体的合成
  • 2.3.2 先驱体的裂解
  • 2.3.3 裂解粉末的烧结
  • 2.4 SiBONC 先驱体性质及成分分析
  • 2.4.1 红外光谱分析
  • 2.4.2 差热-热重分析
  • 2.4.3 X-射线光电子能谱分析
  • 2.5 SiBONC 陶瓷粉体的表征
  • 2.5.1 粉体的XRD 物相分析
  • 2.5.2 X-射线光电子能谱分析
  • 2.5.3 粉末的透射电镜分析
  • 2.6 SiBONC 陶瓷的基本性能测试
  • 2.6.1 密度的测定
  • 2.6.2 抗弯强度和弹性模量的测定
  • 2.6.3 断裂韧性的测定
  • 2.6.4 维氏硬度的测定
  • 2.7 SiBONC 陶瓷的组织结构分析
  • 2.7.1 陶瓷的XRD 物相分析
  • 2.7.2 X-射线光电子能谱分析
  • 2.7.3 表面和断口的扫描电镜分析
  • 2.7.4 微区元素的能谱分析
  • 2.7.5 陶瓷的透射电镜分析
  • 2.8 SiBONC 陶瓷的热稳定性研究
  • 2.8.1 热稳定性研究的试验设备及方法
  • 2.8.2 XRD 物相分析
  • 2.8.3 表面的扫描电镜分析
  • 2.8.4 微区元素的能谱分析
  • 第3章 SiBONC 先驱体聚合物的合成
  • 3.1 SiBONC 陶瓷分子设计
  • 3.1.1 SiBONC 陶瓷微观分子结构
  • 3.1.2 先驱体的选择条件
  • 3.2 以四氯化硅为硅源先驱体的制备
  • 3.2.1 氯聚硅氧烷的形成机理及性质
  • 3.2.2 含硼化合物的合成
  • 3.2.3 溶剂的选择
  • 3.2.4 有机先驱体聚合物的合成
  • 3.3 以含氢甲基硅油为硅源的先驱体的制备
  • 3.3.1 反应物的配比及用量的确定
  • 3.3.2 含氢甲基硅油为硅源的先驱体合成
  • 3.4 先驱体聚合机理和分子结构的推断
  • 3.5 小结
  • 第4章 SiBONC 先驱体聚合物的裂解及粉体表征
  • 4.1 从四氯化硅合成的先驱体的裂解过程和产物结构
  • 4.1.1 SiBONC 先驱体粉末裂解工艺
  • 4.1.2 SiBONC 先驱体粉末的XPS 分析
  • 4.1.3 SiBONC 陶瓷粉体透射电镜分析
  • 4.1.4 SiBONC 陶瓷粉体的TG-DTA 分析
  • 4.2 以HPSO 为硅源的先驱体的裂解过程和产物结构
  • 4.2.1 SiBONC 先驱体的裂解过程
  • 4.2.2 SiBONC 陶瓷粉体的透射电镜分析
  • 4.2.3 SiBONC 陶瓷粉体的成分分析
  • 4.3 裂解机理
  • 4.4 小结
  • 第5章 SiBONC 陶瓷的组织结构及性能
  • 5.1 SiBONC 陶瓷的化学结构分析
  • 5.1.1 SiBONC 陶瓷的红外光谱分析
  • 5.1.2 SiBONC 陶瓷的XRD 分析
  • 5.1.3 SiBONC 陶瓷的XPS 分析
  • 5.2 SiBONC 陶瓷的显微组织
  • 5.2.1 SiBONC 陶瓷表面的扫描电镜分析
  • 5.2.2 SiBONC 陶瓷断口形貌的扫描电镜分析
  • 5.2.3 SiBONC 陶瓷的透射电镜分析
  • 5.3 SiBONC 陶瓷的力学性能
  • 5.3.1 维氏硬度和弹性模量
  • 5.3.2 抗弯强度和断裂韧性
  • 5.4 SiBONC 陶瓷中纳米纤维的生成机理分析
  • 5.5 小结
  • 第6章 SiBONC 陶瓷的高温稳定性
  • 6.1 SiBONC 陶瓷的结构和力学性能的稳定性
  • 6.1.1 材料块体热处理后的力学性能及质量损失
  • 6.1.2 材料化学结构变化
  • 6.1.3 SiBONC 陶瓷热处理前后微观组织的变化
  • 6.2 SiBONC 陶瓷的析晶机理及高温热分解机理
  • 6.2.1 SiBONC 陶瓷的析晶机理
  • 6.2.2 SiBONC 陶瓷的分解机理
  • 6.3 小结
  • 第7章 SiBONC 陶瓷中自生长SiC 纳米线的初步研究
  • 7.1 碳化硅纳米线的制备工艺
  • 7.2 碳化硅纳米线的光谱分析
  • 7.2.1 碳化硅纳米线的XRD 分析
  • 7.2.2 碳化硅纳米线的红外光谱分析
  • 7.3 碳化硅纳米线的电镜分析
  • 7.3.1 碳化硅纳米线的扫描电镜分析
  • 7.3.2 碳化硅纳米线的透射电镜分析
  • 7.3.3 碳化硅纳米线的高分辨电镜分析
  • 7.4 碳化硅纳米线的生长机理
  • 7.5 小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表的论文及专利
  • 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
  • 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
  • 致谢
  • 个人简历

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