一种SiC-MC复相陶瓷先驱体及其复相陶瓷的制备方法

摘要

本发明公开了一种SiC‑MC复相陶瓷先驱体及其复相陶瓷的制备方法，包括如下步骤：以M(Zr，Ti，Hf)Cl

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高温陶瓷的制备方法，特别涉及一种SiC-MC复相陶瓷先驱体及其复相陶瓷的制备方法。

背景技术

随着科技的进步与发展，对新型高温材料在极端条件下的服役性能提出更高要求，以难熔金属碳化物、氮化物和硼化物为代表的超高温陶瓷(Ultra High TemperatureCeramics，UHTCs)因其具有低密度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优异性能而受到广泛的关注与研究。过渡金属(尤其是第IVB族)碳化物M(Zr，Ti，Hf)C作为超高温陶瓷的重要成员，其熔点大于3000℃，硬度大，优良的抗烧蚀性能和化学惰性使其在飞行器热防护、结构材料、涡轮和火箭发动机耐热部件、武器装备、轻质耐磨制动材料、核反应装置等方面具有极大的应用潜力。在高温含氧气氛下，形成的高熔点氧化物，熔融形成氧化膜能够有效抑制含氧气氛向基体内部扩散，从而提高材料的抗氧化耐烧蚀性能。单相超高温陶瓷如ZrC则存在脆性大，抗热震动性差和低温抗氧化性能较差的问题，SiC单相陶瓷虽然能够形成难熔氧化物SiO

陶瓷材料的制备方法主要有溶胶/凝胶法、碳热还原法和有机先驱体转化法。溶胶/凝胶法在制备过程中除了选用金属醇盐，其中以含锆为代表的如正丙醇锆、乙醇锆作为锆源，还需添加碳源(如蔗糖、糠醛、酚醛树脂、二乙烯基苯等)和螯合剂(如乙酸、水杨酸、乙酰乙酸乙酯、乙酰丙酮等)或是添加其他化学改性剂(如氨水、氢氧化钠、聚乙二醇等)促进溶胶/凝胶反应，将所有原料在溶剂(如乙醇、乙酸等)中混合、反应，接着陈化，干燥，热解得到粉体陶瓷。

碳热还原法是在高温热处理过程中，如氧化锆、硅溶胶与碳源物质(如炭黑、酚醛类化合物)发生还原反应生成无机陶瓷的方法。

有机先驱体转化法是将化学合成得到的有机聚合物经成型、高温热解制得无机陶瓷材料的方法，这种有机聚合物即称为无机陶瓷的先驱体。相较于上文所述的两种方法，有机先驱体转化法在制备陶瓷材料过程中，实现原料在分子层面接触、混合及充分反应，能够根据目标陶瓷材料需求，对陶瓷先驱体进行改性和分子组成设计，制备构型复杂的目标陶瓷材料，使陶瓷材料制备工艺专业化、赋予陶瓷材料功能化、推进陶瓷材料应用领域多元化。有机先驱体转化法制备陶瓷材料生产效率高、适合工业生产、灵活的工艺性和加工性优势使其成为制备陶瓷材料的主要方法，也是未来制备超高温陶瓷材料工艺的发展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiC-MC(碳化硅-金属碳化物)复相陶瓷先驱体及其复相陶瓷的制备方法，该制备方法简洁、快速。本发明提出含超高温陶瓷元素、硅、碳的单一来源先驱体制备思路，进而制得SiC-MC复相陶瓷。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供的这种SiC-MC复相陶瓷先驱体及其复相陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、以苯丙烯醇为碳源，将苯丙烯醇溶于二甲苯中，搅拌均匀，得到苯丙烯醇二甲苯溶液；

步骤二、以金属氯化物MCl

步骤三、向步骤二制得的含乙烯基MC陶瓷先驱体溶液中加入富Si-H键聚硅烷高分子，加热回流，发生硅氢加成反应，制得SiC-MC复相陶瓷先驱体；

步骤四、将步骤三制得的SiC-MC复相陶瓷先驱体在惰性气氛保护下固化，然后在高温下裂解，制得SiC-MC复相陶瓷。

优选的，所述步骤一中，苯丙烯醇二甲苯溶液中苯丙烯醇的质量浓度为15％～60％。

优选的，所述步骤二中，金属氯化物MCl

优选的，所述步骤二中，金属氯化物MCl

优选的，所述步骤二中，将苯丙烯醇二甲苯溶液加入金属氯化物MCl

优选的，所述步骤三中，所述富Si-H键聚硅烷高分子在常温下为液态；所述富Si-H键聚硅烷高分子的数均相对分子量为700～1100；所述富Si-H键聚硅烷高分子为聚碳硅烷(PCS)、聚甲基硅烷(PMS)中的至少一种。

优选的，所述步骤三中，所述富Si-H键聚硅烷高分子与含乙烯基MC陶瓷先驱体溶液的质量比为1:(5～20)。

优选的，所述步骤三中，硅氢加成反应的反应温度为100～140℃，反应时间为2～10h。

优选的，所述步骤四中，SiC-MC复相陶瓷先驱体在惰性气氛保护下加热固化，升温速率为0.5～2℃/min，固化温度为320～460℃，固化时间为1～2h。

优选的，所述步骤四中，固化后的SiC-MC复相陶瓷先驱体在惰性气氛保护下高温裂解，升温速率为2～5℃/min，裂解温度为1500～1600℃，裂解时间为1～3h。

本发明的原理及有益效果：

本发明以金属氯化物M(Zr，Ti，Hf)Cl

附图说明

图1是本发明操作流程图；

图2是实施例1制备的SiC-ZrC复相陶瓷X射线衍射图；

图3是实施例1制备的SiC-ZrC复相陶瓷的SEM二次电子及背散射照片；

图4是实施例6制备的SiC-ZrC-HfC复相陶瓷X射线衍射图；

图5是实施例6制备的SiC-ZrC-HfC复相陶瓷SEM二次电子及背散射照片。

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐述本发明技术方案，以下实施例是为了对本发明进行更好的阐述，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

步骤1：苯丙烯醇二甲苯溶液的制备。在手套箱中，称取100g苯丙烯醇加至装有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞，从手套箱中取出，加入95g二甲苯溶液，室温下搅拌至完全溶解，得到质量浓度为51.28％的苯丙烯醇二甲苯溶液。

步骤2：含乙烯基ZrC陶瓷先驱体的制备。按照四氯化锆与苯丙烯醇摩尔比为1:4配置反应溶液。在手套箱中准确称量10g四氯化锆粉末装于放有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞后取出。取步骤1中制得的苯丙烯醇二甲苯溶液44.91g逐渐加至装有四氯化锆粉末的三口烧瓶中，在配有蛇形冷凝管、氩气保护条件下，以2℃/min升温速率升至170℃，回流反应6h，反应结束后自然降温冷却，得到含乙烯基ZrC陶瓷先驱体溶液。

步骤3：SiC-ZrC陶瓷先驱体的制备。搅拌条件下，将液态聚甲基硅烷(Mn＝850)加至步骤2制得的含乙烯基ZrC陶瓷先驱体溶液中，其中，含乙烯基ZrC陶瓷先驱体溶液与液态聚甲基硅烷的质量比为20:1，在氩气气氛下，加热至140℃，回流反应10h，聚甲基硅烷与含乙烯基ZrC陶瓷先驱体中的不饱和乙烯基发生硅氢加成反应，最终制得SiC-ZrC陶瓷先驱体。

步骤4：将步骤3制备的SiC-ZrC陶瓷先驱体置于坩埚中，在氩气气氛下，于管式炉中，以1℃/min升至460℃固化1h后，冷却至室温。接着氩气气氛下，从室温以2℃/min升至1600℃，高温裂解1h制得SiC-ZrC复相陶瓷。

本实施例制得的SiC-ZrC复相陶瓷的X射线衍射图如图2所示。从图2可以看出，由本实施例制得的SiC-ZrC复相陶瓷的物相组成为SiC、ZrC，结晶程度高，不存在其他杂质相。

本实施例制得的SiC-ZrC复相陶瓷的SEM二次电子及背散射照片如图3所示。从图3可以观察到，SiC-ZrC复相陶瓷中SiC与ZrC两相分布均匀、相互嵌入。

实施例2

步骤1：同实施例1步骤1。

步骤2：含乙烯基ZrC陶瓷先驱体的制备。按照四氯化锆与苯丙烯醇摩尔比为1:3配置反应溶液。在手套箱中准确称量10g四氯化锆粉末装于放有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞后取出。取步骤1苯丙烯醇二甲苯混合溶液33.69g逐渐加至装有四氯化锆粉末的三口烧瓶中，在配有蛇形冷凝管、氩气保护条件下，以3℃/min升温速率升温至140℃，回流反应8h，反应结束后自然降温冷却，得到含乙烯基ZrC陶瓷先驱体溶液。

步骤3：SiC-ZrC陶瓷先驱体的制备。搅拌条件下，将聚碳硅烷(Mn＝790)加至步骤2制得的含乙烯基ZrC陶瓷先驱体溶液中，其中，含乙烯基ZrC陶瓷先驱体溶液与聚碳硅烷的质量比为10:1，在氩气气氛下，加热至140℃，回流反应6h，聚碳硅烷与含乙烯基ZrC陶瓷先驱体中的不饱和乙烯基团发生硅氢加成反应，最终制得SiC-ZrC陶瓷先驱体。

步骤4：将步骤3制备的SiC-ZrC陶瓷先驱体置于坩埚中，在氩气气氛下，于管式炉中，以2℃/min升至460℃固化1h后，冷却至室温。接着氩气气氛下，从室温以3℃/min升至1600℃，高温裂解2h制得SiC-ZrC复相陶瓷。

实施例3

步骤1：苯丙烯醇二甲苯溶液的制备。在手套箱中，称取100g苯丙烯醇加至装有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞，从手套箱中取出，加入70g二甲苯溶液，室温下搅拌至完全溶解，得到质量浓度为58.82％的苯丙烯醇二甲苯混合溶液。

步骤2：含乙烯基TiC陶瓷先驱体的制备。按照四氯化钛与苯丙烯醇摩尔比为1:4配置反应溶液。在手套箱中准确称量10g四氯化钛装于放有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞后取出。取步骤1制得的苯丙烯醇二甲苯混合溶液48.11g逐渐加至装有四氯化钛的三口烧瓶中，在配有蛇形冷凝管、氩气保护条件下，以3℃/min升温速率升至120℃，回流反应2h，反应结束后自然降温冷却，得到含乙烯基TiC陶瓷先驱体溶液。

步骤3：SiC-TiC陶瓷先驱体的制备。搅拌条件下，将液态聚甲基硅烷加至步骤2制得的含乙烯基TiC陶瓷先驱体溶液中，其中，含乙烯基TiC陶瓷先驱体溶液与液态聚甲基硅烷的质量比为5:1，在氩气气氛下，加热至140℃，回流反应2h，聚甲基硅烷与含乙烯基TiC陶瓷先驱体中的不饱和乙烯基团发生硅氢加成反应，最终制得SiC-TiC陶瓷先驱体。

步骤4：将步骤3制备的SiC-TiC陶瓷先驱体置于坩埚中，在氩气气氛下，于管式炉中，以0.5℃/min升至400℃固化1h后，冷却至室温。接着氩气气氛下，从室温以5℃/min升至1500℃，高温裂解1h制得SiC-TiC复相陶瓷。

实施例4

步骤1：苯丙烯醇二甲苯溶液的制备。在手套箱中，称取100g苯丙烯醇加至装有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞，从手套箱中取出，加入560g二甲苯溶液，室温下搅拌至完全溶解，得到质量浓度为15.15％苯丙烯醇二甲苯混合溶液。

步骤2：含乙烯基TiC陶瓷先驱体的制备。按照四氯化钛与苯丙烯醇摩尔比为1:3配置反应溶液。在手套箱中准确称量10g四氯化钛装于放有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞后取出。取步骤1制得的苯丙烯醇二甲苯混合溶液140.08g逐渐加至装有四氯化钛的三口烧瓶中，在配有蛇形冷凝管、氩气保护条件下，以3℃/min升温速率升至140℃，回流反应10h，反应结束后自然降温冷却，得到含乙烯基TiC陶瓷先驱体溶液。

步骤3：SiC-TiC陶瓷先驱体的制备。搅拌条件下，将聚碳硅烷加至步骤2制得的含乙烯基TiC陶瓷先驱体溶液中，其中，含乙烯基TiC陶瓷先驱体溶液与聚碳硅烷的质量比为20:1，在氩气气氛下，加热至100℃，回流反应10h，聚碳硅烷与含乙烯基TiC陶瓷先驱体中的不饱和乙烯基团发生硅氢加成反应，最终制得SiC-TiC陶瓷先驱体。

步骤4：将步骤3制备的SiC-TiC陶瓷先驱体置于坩埚中，在氩气气氛下，于管式炉中，以0.5℃/min升至460℃固化2h后，冷却至室温。接着在氩气气氛下，从室温以2℃/min升至1600℃，高温裂解3h，制得SiC-TiC复相陶瓷。

实施例5

步骤1：同实施例3步骤1。

步骤2：含乙烯基HfC陶瓷先驱体的制备。按照四氯化铪与苯丙烯醇摩尔比为1:5配置反应溶液。在手套箱中准确称量10g四氯化铪粉末装于放有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞后取出。取步骤1制得的苯丙烯醇二甲苯混合溶液35.61g逐渐加至装有四氯化铪粉末的三口烧瓶中，在配有蛇形冷凝管、氩气保护条件下，以5℃/min升温速率升至180℃，回流反应8h，反应结束后自然降温冷却，得到含乙烯基HfC陶瓷先驱体溶液。

步骤3：SiC-HfC陶瓷先驱体的制备。搅拌条件下，将液态聚甲基硅烷加至步骤2制得的含乙烯基HfC陶瓷先驱体溶液中，其中，含乙烯基HfC陶瓷先驱体溶液与液态聚甲基硅烷的质量比为20:1，在氩气气氛下，升温至140℃，回流反应8h，聚甲基硅烷与含乙烯基HfC陶瓷先驱体中的不饱和乙烯基发生硅氢加成反应，最终制得SiC-HfC陶瓷先驱体。

步骤4：将步骤3制备的SiC-HfC陶瓷先驱体置于坩埚中，在氩气气氛下，于管式炉中，以1℃/min升至420℃固化2h后，冷却至室温。接着氩气气氛下，从室温以2℃/min升至1550℃，高温裂解3h制得SiC-HfC复相陶瓷。

实施例6

步骤1：同实施例3步骤1。

步骤2：含乙烯基ZrC-HfC陶瓷先驱体的制备。在手套箱中分别准确称量10g四氯化锆及13.74g四氯化铪粉末装于放有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞后取出。取步骤1中制得的苯丙烯醇二甲苯混合溶液78.31g逐渐加至装有四氯化锆及四氯化铪粉末的三口烧瓶中，在配有蛇形冷凝管、氩气保护条件下，以3℃/min升温速率升至180℃，回流反应8h，反应结束后自然降温，得到含乙烯基ZrC-HfC陶瓷先驱体溶液。

步骤3：SiC-ZrC-HfC陶瓷先驱体的制备。搅拌条件下，将液态聚甲基硅烷加至步骤2所制的含乙烯基ZrC-HfC陶瓷先驱体溶液中，含乙烯基ZrC-HfC陶瓷先驱体溶液与液态聚甲基硅烷的质量比为20:1，在氩气气氛下，升温至140℃，回流反应10h，聚甲基硅烷与含乙烯基ZrC-HfC陶瓷先驱体中的不饱和乙烯基发生硅氢加成反应，最终制得SiC-ZrC-HfC复相陶瓷先驱体。

步骤4：将步骤3制备的SiC-ZrC-HfC陶瓷先驱体置于坩埚中，在氩气气氛下，于管式炉中，以1℃/min升至460℃固化2h，冷却至室温。接着在氩气气氛下，从室温以2℃/min升至1600℃，高温裂解2h，制得SiC-ZrC-HfC复相陶瓷。

本实施例制得的SiC-ZrC-HfC复相陶瓷X射线衍射图如图4所示。从图4可以看出，由本实施例制得的SiC-ZrC-HfC复相陶瓷的物相组成为SiC、ZrC、HfC，结晶性能好、结晶程度高。

本实施例制得的SiC-ZrC-HfC复相陶瓷的SEM二次电子及背散射照片如图5所示。从图中可以看出，生成致密SiC-ZrC-HfC复相陶瓷，所形成的陶瓷相之间相互嵌入，未出现相分离。

实施例7

步骤1：同实施例1步骤1。

步骤2：含乙烯基ZrC-TiC陶瓷先驱体的制备。在手套箱中分别准确称量10g四氯化锆及8.14g四氯化钛装于放有磁力搅拌子的三口烧瓶中，封闭三口烧瓶螺口橡胶塞后取出。取步骤1制得的苯丙烯醇二甲苯混合溶液112.28g逐渐加至装有四氯化锆及四氯化钛的三口烧瓶中，在配有蛇形冷凝管、氩气保护条件下，以3℃/min升温速率升至160℃，回流反应8h，反应结束后自然降温，得到含乙烯基ZrC-TiC陶瓷先驱体溶液。

步骤3：SiC-ZrC-TiC陶瓷先驱体的制备。搅拌条件下，将液态聚甲基硅烷加至步骤2制得的含乙烯基ZrC-TiC陶瓷先驱体溶液中，其中，含乙烯基ZrC-TiC陶瓷先驱体溶液与液态聚甲基硅烷的质量比为20:1，在氩气气氛下，以2℃/min升温速率加热至140℃，回流反应10h，聚甲基硅烷与含乙烯基ZrC-TiC陶瓷先驱体中的不饱和乙烯基发生硅氢加成反应，最终制得SiC-ZrC-TiC复相陶瓷先驱体。

步骤4：将步骤3制备的SiC-ZrC-TiC陶瓷先驱体置于坩埚中，在氩气气氛下，于管式炉中，以1℃/min升至460℃固化2h后，冷却至室温。接着在氩气气氛下，从室温以2℃/min升至1600℃，高温裂解2h，制得SiC-ZrC-TiC复相陶瓷。