硅树脂转化制备高孔隙率SiOC多孔陶瓷研究

论文摘要

SiOC多孔陶瓷由于具有一系列优异的性能,使得其应用范围越来越广泛,其制备方法也在不断地发展。本文在全面综述多孔陶瓷制备技术研究现状的基础上,开展了硅树脂交联自发泡法制备高孔隙率SiOC多孔陶瓷的研究。首先,比较分析了两种硅树脂DC217和DC249的发泡性能,择优选择了硅树脂DC217作为交联自发泡的先驱体。经混料、模压成型、交联自发泡和高温裂解,制备出了高孔隙率的SiOC多孔陶瓷,考察了升温速率、中间保温、外部气压、填料种类(SiOC、SiC)、填料含量和粒径等因素对多孔陶瓷结构和性能的影响。当硅树脂含量为90vol.%,SiOC微粉为填料时,控制交联升温速率从0.25℃/min增加到3℃/min,多孔陶瓷的孔隙率先增加后降低,在0.5℃/min时达到最大,总孔隙率和开孔率分别为88.2%和72.5%,抗压强度则一直降低。当交联升温速率低于1℃/min时,多孔陶瓷的孔隙结构呈现三维开孔网状结构。而在不同温度的下保温(160℃、190℃、220℃),对所得多孔陶瓷的孔隙形貌和大小影响较大,但对抗压强度的改善并不明显。当硅树脂含量为70vol.%,SiOC微粉为填料时,控制外部气压从1MPa增加到4MPa,多孔陶瓷的总孔隙率和开孔率分别从69.8%和58.4%下降到58.3%和43.9%,抗压强度则从3.9 MPa增加到14.9MPa。另外,随着外部气压的增加,多孔陶瓷的孔隙结构变得越来越规则,孔径大小也越来越趋于一致。当填料(SiOC微粉)含量从0vol.%增加到30vol.%,多孔陶瓷的总孔隙率和开孔率变化趋势一致,均是先增加后降低,抗压强度则先降低后增加。当填料含量低于30vol.%时,多孔陶瓷的孔隙结构比较规则,大多呈现开孔、球形的特征。选用SiC微粉为填料时,在未加外部气压的情况下,所得多孔陶瓷的孔隙结构较差。在外部气压下交联发泡,所得多孔陶瓷的孔隙结构较好,与相同条件下,SiOC粉为填料所得多孔陶瓷的孔隙结构相似,但抗氧化性能明显高于后者。加压条件下,控制SiC微粉的粒径从5μm增大到10μm,多孔陶瓷的孔隙率(总孔隙率和开孔率)增加,而抗压强度则随之下降。继续增大SiC微粉的粒径,从10μm增大到15μm,得到的多孔陶瓷孔隙率(总孔隙率和开孔率)、平均孔径大小以及抗压强度则均变化不大。通过研究表明,采用硅树脂交联自发泡法可以制备出较高孔隙率的SiOC多孔陶瓷。各工艺参数通过影响聚合物熔体中气泡的形成过程,进而影响多孔陶瓷的孔隙结构。所以,可以通过精确控制各工艺参数,获得所需结构的SiOC多孔陶瓷。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 多孔陶瓷概述
• 1.2 多孔陶瓷的应用
• 1.3 多孔陶瓷的制备工艺
• 1.4 先驱体转化法制备多孔陶瓷的研究现状
• 1.4.1 直接发泡法
• 1.4.2 有机泡沫浸渍法
• 1.4.3 添加造孔剂法
• 1.5 选题依据及研究内容
• 第二章 实验与研究方法
• 2.1 试验用原材料
• 2.1.1 陶瓷先驱体
• 2.1.2 填料
• 2.1.3 其他实验用品
• 2.2 主要仪器与设备
• 2.3 实验过程
• 2.4 分析与表征
• 2.4.1 孔结构表征
• 2.4.2 结构成分表征
• 2.4.3 力学性能表征
• 2.4.4 其他性能表征
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 硅树脂的筛选
• 3.2 硅树脂交联自发泡的理论基础
• 3.2.1 基本化学反应
• 3.2.2 发泡过程
• 3.2.3 影响因素
• 3.3 升温制度对SiOC 多孔陶瓷结构和性能的影响
• 3.3.1 升温速率的影响
• 3.3.2 中间保温的影响
• 3.4 外部环境对SiOC 多孔陶瓷结构和性能的影响
• 3.5 填料对SiOC 多孔陶瓷结构和性能的影响
• 3.5.1 填料含量的影响
• 3.5.2 填料种类的影响
• 3.5.3 填料粒径的影响
• 第四章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果