模板法制备SiC基陶瓷纳米孔结构材料

摘要

SiC基无氧陶瓷具有高硬度、高热导、高热稳定性、耐腐蚀、耐氧化和化学惰性等优异特性。同时具有这些特性和可控纳米孔结构的SiC基陶瓷材料在高温催化、高温膜和先进复合材料等领域都有广泛的应用前景。 本论文使用低粘度的液态聚合物(烯丙基氢化聚碳硅烷和乙烯基聚硅氮烷)为陶瓷前驱体，通过纳米结构模板复制的合成路线，制备了高度规整有序的SiC基陶瓷纳米孔结构材料。 首先是二维和三维有序介孔SiC和SiCN陶瓷的制备。分别使用介孔二氧化硅(SBA-15和MCF)和碳材料(CMK-3和CMK-8)为模板，通过纳米注塑法，利用毛细管吸引力将液态陶瓷前驱体渗透到模板的孔道中去，经过固化和高温热解过程将聚合物转化为陶瓷相后，再用HF刻蚀或空气中焙烧的方法除去模板，最后获得了具有高比表面积(260～470 m<'2>/g)、窄孔径分布和高热稳定性的二维和三维有序介孔SiC基陶瓷材料。通过小角X射线衍射、高分辨率透射电镜和氮气物理吸附测试的表征，确定制得的SiC基陶瓷材料分别是它们模板的反转复制品，具有与其模板相似的结构对称性。因此，从两种结构互为反转复制品的模板(SBA-15 和CMK-3)出发，经过陶瓷前驱体的反转复制过程，成功制备了两种结构互相反转的有序介孔SiC基陶瓷材料。介孔SiO<,2>模板的三甲基烷基化改性能够使SiC前驱体聚合物均匀地填满其孔道，是制备高质量的有序介孔SiC陶瓷的关键。 另外还制备了三维有序的大孔SiC和SiCN陶瓷材料。使用三维有序排列的有机聚合物(聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯)微球阵列作模板，聚合物为陶瓷前驱体，成功制备了高度三维有序的大孔SiC基陶瓷材料。通过改变模板中的微球直径，有效控制了大孔SiC基陶瓷产品的孔径。聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球模板排列的有序度和在浸渍之前的预热处理，以及热解时的升温速率是得到有序排列且彼此相通的大孔陶瓷结构的重要影响因素。通过对模板及工艺条件的设计，可以使SiC基陶瓷产品的孔结构形态得到控制，选择性制备有序大孔陶瓷、陶瓷泡沫体或海绵体。 最后是大孔无机-有机杂化材料微孔道图案的制备。使用聚苯乙烯(PS)微球做模板，结合毛细管微模板(MIMIC)技术使PS微球在聚二甲基硅氧烷(PDMS)模子微孔道中自组装成三维有序排列的填充床，并以此为模板制得了连续的大孔SiC(N)H无机-有机杂化材料微流体孔道集成片。 碳和有机聚合物材料代替氧化硅材料作为模板的使用，避免了模板对陶瓷产品的氧污染和：HF刻蚀对陶瓷体的损害，从而减少了SiC基陶瓷产品中氧化相的含量，大大提高了产品多孔结构的热稳定性。 本论文把基于液态前驱体的“模板复制”方法引入到SiC基有序介孔陶瓷材料制备领域，使得用简单易行的方法设计制备各种形态尺寸可控的SiC基陶瓷纳米孔结构材料得以实现。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.绪论

1.1陶瓷概述

1.1.1陶瓷研究的发展历程

1.1.2先进陶瓷的分类与性能

1.1.3研究先进陶瓷的意义和发展前景

1.2 SiC陶瓷

1.2.1碳化硅晶体结构

1.2.2碳化硅的性能和应用

1.2.3碳化硅陶瓷的制备

1.2.4碳化硅陶瓷微结构的制造工艺

1.3液态陶瓷前驱体聚合物

1.3.1陶瓷前驱体聚合物及其转化过程

1.3.2由前驱体聚合物生成的陶瓷的性能及其应用

1.3.3陶瓷前驱体聚合物的发展趋势

1.4 SiC基介孔陶瓷材料

1.4.1介孔材料简介

1.4.2 SiC基介孔陶瓷材料

1.5论文选题依据

2以SiO2介孔材料为模板制备SiC有序介孔材料

2.1概述

2.2实验部分

2.2.1化学药品

2.2.2介孔SiO2材料的合成

2.2.3介孔SiO2材料的表面改性

2.2.4有序介孔SiC的合成

2.2.5介孔SiC产品的二次热处理

2.2.6分析与表征

2.3结果与讨论

2.3.1 SiO2模板的表面改性

2.3.2有序介孔结构的复制

2.3.3 SiO2模板的改性对孔结构复制的影响

2.3.4介孔SiC产品的化学结构

2.3.5 SiC产品介孔结构的热稳定性

2.4小结

3以介孔碳材料为模板制备SiC和SiCN有序介孔材料

3.1概述

3.2实验部分

3.2.1化学药品

3.2.2介孔碳材料的合成

3.2.3介孔SiC基陶瓷的制备

3.2.4介孔SiC基陶瓷的二次热处理

3.2.5分析与表征

3.3二维及三维有序介孔SiC

3.3.1有序介孔结构的复制

3.3.2孔特征及介孔结构热稳定性

3.3.3介孔SiC陶瓷的化学结构

3.4二维及三维有序介孔SiCN

3.4.1有序介孔结构的复制

3.4.2孔特征及介孔结构热稳定性

3.4.3介孔SiCN陶瓷的化学结构

3.4小结

4以聚合物微球为模板制备SiC基陶瓷大孔材料及图案

4.1概述

4.2实验部分

4.2.1化学药品

4.2.2 PS和PMMA微球模板的制备

4.2.3 SiC基有序大孔陶瓷材料及泡沫体的制备

4.2.4有序大孔SiC(N)H无机-有机杂化材料图案的制备

4.2.5分析与表征

4.3大孔SiC基陶瓷

4.3.1有序大孔SiC及SiCN陶瓷材料

4.3.2大孔SiCN泡沫体及海绵体

4.4大孔SiC(N)H无机-有机杂化材料微孔道图案

4.5小结

结 论

参考文献

博士论文创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢