反应型含硅硼碳氮单源陶瓷前驱体的设计及性能研究

发布时间：2020-08-23 11:27

【摘要】：聚合物衍生陶瓷(PDCs)是以聚合物为前驱体,经热解制备的一类多功能陶瓷。与传统陶瓷相比,PDCs具有许多突出的性能,例如,优异的高温机械性能、热稳定性能、抗氧化/抗腐蚀性能、以及可控的半导体特性和光电性能。在众多种类的PDCs中,硅硼碳氮(SiBCN)陶瓷格外受到关注,这是因为SiBCN陶瓷比其他二元和三元陶瓷具有更卓越的高温稳定性、抗蠕变性和电性能,在涂料、微电子、复合材料和陶瓷纤维等领域具有广阔的应用前景。鉴于现有的含SiBCN单源陶瓷前驱体大部分含有Si-Cl或B-Cl这些活性极大且对空气敏感的基团,且在固化过程中需要加入氨或胺类作为固化剂,需要额外采取措施分离副产物盐酸盐,我们设计合成了端基为丙烯酸酯基、乙烯基醚和硅乙烯基的反应型含SiBCN单源陶瓷前驱体,通过紫外光或热固化,无需加入氨或胺类作为固化剂,然后热解获得SiBCN(O)陶瓷。主要的研究内容和结论如下:1.金属转移法制备紫外光固化含SiBCN单源陶瓷前驱体通过金属转移法合成了含硼氮六元环和反应基团的紫外光固化单源陶瓷前驱体a-TSMB(反应基团为丙烯酸酯基)和e-TSMB(反应基团为乙烯基醚),它们的分子结构中Si和B元素以亚甲基相连。FTIR和NMR对分子结构的表征表明,通过金属转移法成功制备了与目标结构基本相符的单源前驱体a-TSMB和e-TSMB。采用DPC与RT-FTIR研究了a-TSMB和e-TSMB的紫外光固化行为。a-TSMB的紫外光固化过程是丙烯酸酯基上双键的自由基聚合过程。紫外光辐照5 s后,放热峰便出现峰值,辐照40 s时,a-TSMB的转化率达到86%,辐照1min固化基本完成,最终转化率达到90%。e-TSMB的紫外光固化过程是乙烯基醚上双键的阳离子聚合过程。紫外光辐照40 s后出现峰值,84 s左右结束光聚合反应。最终转化率为75%。采用TG研究a-TSMB和e-TSMB光聚合产物P_a和P_e的热解转化过程,分析表明在1400℃时,P_a的热解残留率为30%,P_e的残留率为29.6%。XPS与元素分析表明P_a和P_e热解得到的残留物C_a和C_e都含有Si、B、C、N、O元素。其中C_a的组成近似于Si_4B_3N_3C_(28)O_(13),C_e组成近似于Si_4B_3N_3C_(24)O_(11)。XRD测试结果表明在1400℃,C_a和C_e保持无定型状态。XPS、元素分析和XRD表明C_a和C_e为含有Si、B、C、N和O的无定型陶瓷。2.硼氢化法制备紫外光固化含SiBCN单源陶瓷前驱体通过硼氢化法合成了以硼氮六元环为中心,以丙烯酸酯基为端基,具有不同官能度的单源前驱体a-CSEB、a-DSEB和a-TSEB,它们的分子结构中Si和B元素以乙基相连。首先对硼氢化法的实验条件进行了优化,根据优化后的实验条件进行了合成。FTIR和NMR确定了制备的a-CSEB、a-DSEB和a-TSEB的分子结构,与目标结构基本相符,通过计算确定a-CSEB引入了2.7个丙烯酸酯基,a-DSEB引入了4.5个丙烯酸酯基,a-TSEB引入了6.3个丙烯酸酯基。a-CSEB、a-DSEB和a-TSEB的紫外光固化过程实质上是丙烯酸酯基上双键的自由基加聚过程。DPC与RT-FTIR分析表明在紫外光照射下,它们都能够快速固化,辐照60 s就能基本完成固化。在同等条件下(紫外光光强:110mW/cm~2;引发剂含量:1.5wt%;反应温度:室温),a-CSEB的最终转化率最大为98%;a-DSEB次之,为92%;a-TSEB的最终转化率最小为83%。最终转化率随着官能度的增加而降低。另外,还研究了光引发剂含量、温度以及光强对a-TSEB光固化的影响。研究表明:辐照温度对光固化行为影响比较小;而随着光引发剂含量的升高,最快聚合速率与最终转化率先升后降,当光引发剂含量为1.0 wt%时,聚合速率和转化率同时达到极值(0.072s~(-1),84.54%);紫外光光强对光固的影响趋势类似于光引发剂含量对其的影响,先升后降,在66mW/cm~2时,聚合速率与最终转化率出现极值(0.125 s~(-1),87.53%)。FTIR及TG-MS分析表明它们的热解机理为解聚反应与H重排反应。在800℃时,a-CSEB、a-DSEB和a-TSEB的光聚合物的热解残留率分别为21.7%、26.1%和33.7%,单源前驱体的光固化产物的热解残留率随着官能度的增加而升高。对a-CSEB、a-DSEB和a-TSEB经光固、热解得到残留物的C_1、C_2和C_3,XPS分析表明C_1、C_2和C_3都含有Si、B、C、N、O元素。SEM图像结果表明,C_1和C_2陶瓷表面有孔洞与大量微球。C_3表面没有出现微球,只出现了微小碎屑。XRD结果表明C_1、C_2和C_3在1400℃仍保持无定形状态。XPS、SEM和XRD表明C_1、C_2和C_3为含有Si、B、C、N和O的无定型陶瓷。经旋转匀膜、紫外光固化与高温热解,a-TSEB成功在致密的石英片以及疏松多孔的石墨片上形成厚度为微米级别的陶瓷涂层。样品的平面与截面SEM显微照片显示,得到的涂层致密没有任何穿透裂缝和孔洞,涂层与基体之间界面结合良好。3.硅氮烷裂解制备含SiBCN单源陶瓷前驱体。采用硅氮烷裂解的途径制备了单源前驱体TSAB,它以硼氮环为中心,以乙烯基为端基,正电元素Si和B之间以NH相连。FTIR及NMR证实了TSAB的分子结构。FTIR以及DSC表明它可以通过双键的加聚来实现热固化,热固化过程中引发剂的最佳含量是2.25 wt%,最佳聚合工艺为130℃/1hr+160℃/2hr+190℃/1hr。通过KAS与Crane方程对DSC数据进行的分析与计算,得到TSAB热固化反应的活化能Ea为114.90kJ/mol,反应级数n为0.86。TSAB热固化得到的聚合物在800℃时的热解物C_A残留率为60.7%。FTIR与XPS结果表明热解产物C_A中硼原子主要与氮原子键合,硅原子主要与氮原子键合,碳原子大多以C-C存在。XRD粉末图谱和拉曼光谱表明,在氩气气氛下,C_A在1400℃保持非晶态,1500℃时出现石墨和h-BN。热解产物C_A的常温电导率随着热解温度的升高而增加,特别是在石墨形成之后,提高了近一个数量级。在1200℃、1400℃和1500℃裂解得到的C_A的常温电导率分别为8×10~(-6)(Ω·cm)~(-1)、4.23×10~(-5)(Ω·cm)~(-1)和3.94×10~(-4)(Ω·cm)~(-1)。室温PL光谱结果表明C_A的发光都在可见光范围内,四个PL峰位于3.0-2.0 eV之间。这些结果表明,从TSAB制备的C_A在光电子和电子领域有潜在应用前景。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.1
【图文】：

工艺流程图,工艺流程,聚合物前驱体,传统陶瓷

Figure 2-1 The preparation process of PDCs图 2-1 PDCs 的制备工艺流程跨了多个学科，具有传统陶瓷制备工艺所不具备的优点。PDCs 7]：可设计性。不同分子组成和结构的聚合物前驱体经高温烧结可以态与相分布）不同的陶瓷材料，因而可以根据陶瓷材料所需的，设计并合成相应的聚合物前驱体。的工艺性。前驱体转化充分利用了聚合物成型性能优异的特点，对前驱体进行成型加工，例如模塑成型、静电纺丝等等。化温度低。从前驱体到陶瓷产物，中间需要经过一个高温烧结过传统陶瓷的烧结都需要有烧结助剂的参与，并且烧结温度很高加入助剂的情况下在一个较低的温度下（ 1100℃）完成整个这些特点，PDCs 技术使得聚合物衍生陶瓷适合采用混合加工/

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硅基聚合物陶瓷前驱体结构示意图

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6Figure 2-4 Geniral synthesis of organosilicon polymers图 2-4 聚合物陶瓷前驱体常用的合成路径陶瓷更具竞争力，在设计与合成聚合物陶瓷前驱体时要得和成本低廉为目标；或者选择合适的合成路径使陶瓷陶瓷具有突出或独特的性能。到目前为止，已经有不少陶瓷前驱体的合成，从已发表的文献[3, 29-46]可知，硅基

【参考文献】