耐高温聚硼硅氮烷粘结剂的制备及性能研究

摘要

针对航空航天对耐高温有机粘结剂的迫切需求，开展了聚硼硅氮烷粘结剂的制备及其性能研究。以聚甲基硅烷（PMS）和硼吖嗪（Borazine，BZ）为原料，合成了液态聚硼硅氮烷（B-PMS），通过加入填料，抑制聚硼硅氮烷高温处理过程中的体积收缩、提高粘接层的致密性及其与被粘材料之间的界面结合强度，制备了具有优良耐温性能和粘接性能的聚硼硅氮烷粘结剂。
　　以PMS和BZ为原料，通过改变原料配比、反应温度、保温时间来控制聚合程度，得到一种室温为黄色粘稠液体，可以直接用于粘接的聚合物 B-PMS。最优的合成工艺条件为：原料质量比PMS:BZ=10:1，反应温度为100℃，保温时间为7h。
　　采用FTIR、GPC、NMR、TG、SEM、旋转粘度仪等表征了B-PMS的结构与性能。结果表明：B-PMS是一种黄色粘稠液体，其室温下的粘度为2470mPa·s，数均分子量为3000，重均分子量为4927。B-PMS主链主要是Si-Si、硼氮六元环和Si-N结构，侧基为Si-H和Si-CH3。该聚合物在Ar中1000℃处理后的陶瓷产率为92wt％。
　　B-PMS在Ar气氛中200℃处理2h可实现固化，凝胶含量可达到97.4%；固化产物在Ar中1200℃处理后的陶瓷产率为89.4%。B-PMS在惰性气氛中的热分解分为三个阶段，第一阶段为室温~300℃，B-PMS是有机态，主要发生脱氢反应，聚合物仅失重了0.1wt%，聚合物的结构无明显的变化。第二阶段为300℃~800℃，B-PMS失重约为7.1wt%，随温度升高，Si-H和Si-CH3等特征峰逐渐减弱，B-PMS从有机态转变为无机态。800℃~1000℃为第三阶段，B-PMS失重约为0.6wt%，为无定型的SiBNC陶瓷。当温度升高至1200℃时，陶瓷产物中出现β-SiC微晶，处理温度为1600℃时，陶瓷产物中出现h-BN晶体。
　　以常压烧结SiC陶瓷为被粘材料，研究了B-PMS的粘接性能与耐温性能。结果表明：SiC粘接接头在Ar气氛中200℃、600℃、1000℃处理1h后的室温剪切强度分别为5.1MPa、3.8MPa、9.2MPa，当温度达到1600℃以上时，粘接样品由于体积收缩带来的热应力而直接开裂。
　　通过向B-PMS中添加Ni粉制备了粘结剂BP-N，当加入Ni粉含量为20wt%时，BP-N粘接性能最好，粘接接头在Ar气氛中经过200℃、600℃、1000℃、1600℃高温处理后的室温剪切强度分别为8.8MPa、2.5MPa、5.3MPa、1.6MPa。通过向B-PMS中加入Al粉制备了粘结剂BP-A，当加入Al粉含量为10%时，BP-A粘接性能最好，粘接接头在Ar气氛中经过200℃、600℃、1000℃、1600℃高温处理后的室温剪切强度分别为为8.8MPa、9.8MPa、11.4 MPa、7.9 MPa。低温时，铝粉在粘结剂中主要起到惰性填料的作用，可减小粘结剂高温处理过程中的体积收缩，提高粘接层结构致密性；当温度进一步提高时，铝粉与B-PMS热解产物发生反应，一方面可减小粘结剂高温时的失重，另一方面可提高粘接层致密性及其与底材的界面结合强度，使粘结剂的耐温性能与粘接性能得到显著提高。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 耐高温有机粘结剂简介

1.2耐高温有机粘结剂研究现状

1.3论文的研究思路与研究内容

第二章 实验部分

2.1化学试剂与实验设备

2.2聚硼硅氮烷的合成

2.3粘结剂及粘结样品的制备

2.4分析与表征方法

第三章 聚硼硅氮烷的合成、表征及性能研究

3.1原料的表征

3.2 B-PMS合成工艺研究

3.3 B-PMS的结构表征

3.4 B-PMS的性能表征

3.4本章小结

第四章 耐高温聚硼硅氮烷粘结剂的制备及性能研究

4.1 B-PMS的粘接性能

4.2聚硼硅氮烷粘结剂的制备

4.3 BP-A的性能研究

4.4 BP-A的结构变化

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果