纳米SiC粉末对先驱体陶瓷增材性能的影响

为了减少先驱体陶瓷在高温裂解过程中裂纹及孔隙的产生,研究了惰性填料纳米SiC粉末对先驱体聚合物、先驱体陶瓷体积收缩率、陶瓷产率的影响.利用热重分析(TGA)、傅里叶转化红外线光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)等检测手段进行性能分析和结构表征,采用排水法计算先驱体陶瓷体积收缩率.结果表明:先驱体陶瓷的体积收缩率随纳米SiC粉末质量分数的增加而减小,先驱体陶瓷产率随纳米SiC粉末质量分数的增加而增加,当其质量分数为3%时,体积收缩率最小,为73.47%,先驱体陶瓷产率最大,为26.42%;在高温裂解过程中,当升温速率为4℃/min时,先驱体陶瓷表面无明显裂纹且平整光滑.SiC粉末作为惰性填料具有减少先驱体陶瓷体积收缩,提高陶瓷产率的作用,且效果明显.

先驱体陶瓷材料3D打印机螺杆挤出装置的设计与优化

针对陶瓷材料硬脆性带来的难以切削加工技术瓶颈,开发了一种可用于3D打印先驱体陶瓷材料的工艺--热固沉积成型工艺(thermo-setting modeling,TSM),基于此工艺,设计并优化了先驱体陶瓷材料3D打印机螺杆挤出装置.首先,确定了先驱体陶瓷材料配比并进行材料性质测试,提出热固沉积成型工艺.其次,设计了先驱体陶瓷材料螺杆挤出装置并进行初步打印实验.再次,通过ANSYS Fluent仿真分析螺杆挤出装置在打印过程中内部流场的变化情况并为优化设计提供依据.最后,对螺杆挤出装置进行优化设计,为了得到更高的打印精度,将原有的0.6 mm喷头直径缩小至0.5 mm;仿真分析发现,将螺杆转速由40 r/min提高至60 r/min,螺杆外径与机筒内壁的间隙由0.50 mm缩小至为0.25 mm,可使打印效率提高49.1%,并通过打印实验进行验证.结果表明,该螺杆挤出装置能够满足3D打印精度和效率要求并能打印出形状复杂的先驱体陶瓷零件,为陶瓷材料零件的成型加工提供了一种途径和方法.

有机聚硅氮烷先驱体陶瓷涂层的耐高温氯腐蚀性能

在TP347不锈钢片表面制备了有机聚硅氮烷先驱体陶瓷涂层,对有无涂层试样分别进行高温HCl气体和KCl堆盐腐蚀试验,并采用增重法对试样的腐蚀质量增加曲线进行分析。结果表明:制得的涂层表面均匀致密,与基体紧密连接;在500,525,550℃HCl气体中,涂层试样的腐蚀速率较空白试样的均有所降低;在KCl堆盐中,无涂层试样的质量随时间的延长呈先增加后减小的趋势,涂层试样的耐蚀性较好,且在500℃下基体内部未检测到Cl元素,在550℃下基体内部Cl含量较高,表明Cl-逐渐向试样内部扩散;服役温度在涂层玻璃粉软化温度以下时,涂层可有效阻隔Cl-扩散至基体内部,提高涂层的保护性能。

先驱体陶瓷高压注浆中高岭土填料的改性研究

将高岭土加入有机硅液体中可提高体系黏度,制备成高硅含量的陶瓷浆料,可用于陶瓷先驱体的注模成型。传统高岭土与有机硅液体的相容性很差,需将高岭土进行改性。本文研究了用于高流动性注模陶瓷先驱体高压注浆浆料的惰性高岭土填料的改性方法,以硅烷偶联剂为改性剂,通过化学机理进行改性。对改性前后的高岭土进行IR表征,比较官能团变化证明改性有效,通过对沉降体积和活化率的测定,拟和曲线后对改性条件进行定量分析,确定最佳改性条件是改性剂用量为2.5%~3.5%,在70℃条件下改性60min。

沈阳自动化所先驱体陶瓷增材制造技术取得新进展

中国科学院沈阳自动化研究所与辽宁大学合作,采用"固化交联—高温裂解"一体化增材制造工艺,基于陶瓷先驱体材料成功制备出功能陶瓷试样。该增材制造技术将有机高分子先驱体材料用激光光束照射,经过"固化交联"和"高温热裂解"等过程,该先驱体最终转化为无机陶瓷。整个工艺是一个由"有机的液态的高分子先驱体材料"转化为"无机的固态陶瓷材料"的过程,实现了利用有机物制备无机陶瓷材料,以及复杂陶瓷零件的一体化制造,同时兼顾精度、效率和成本。

ZrO_(2)增强聚合物先驱体SiCNO复合陶瓷的制备和力学性能

聚合物先驱体陶瓷(polymer-derived ceramics,PDCs)技术具有制造简单、成分可调等优点,为制备新型陶瓷提供了有效途径。然而,由于热解过程中微小分子的逃逸形成孔洞缺陷,先驱体技术制备的无定形聚合物衍生SiCNO陶瓷(PDCs-SiCNO陶瓷)的力学性能较差。为解决上述问题,通过向陶瓷基体添加第二相(颗粒强化)来实现增强先驱体陶瓷。对聚乙烯基硅氮烷(PVSZ)和ZrO_(2)进行先球磨后热解,制备ZrO_(2)颗粒增强PDCs-SiCNO复合陶瓷(PDCs-SiCNOZrO_(2)),研究PDCs-SiCNO-ZrO_(2)复合陶瓷的结构和力学性能。结果表明:引入的ZrO_(2)填料作为增强体嵌入SiCNO陶瓷基体中,不仅能有效降低线收缩率,还能大幅提高PDCs-SiCNO-ZrO_(2)复合陶瓷的力学性能。添加10%(质量分数)ZrO_(2)的PDCs-SiCNO-ZrO_(2)复合陶瓷的弯曲强度和压缩强度分别为197.03 MPa和375.2 MPa,比PDCs-SiCNO陶瓷高出64%和267%,其硬度值最高可达20.92 GPa,断裂韧度达到2.76 MPa·m^(1/2)。适当含量ZrO_(2)的加入有助于提升PDCsSiCNO陶瓷基体的致密化程度,从而提升了PDCs-SiCNO-ZrO_(2)复合陶瓷的力学性能。

先驱体转化SiBCN陶瓷的制备、性能与应用

先驱体转化法是制备高性能陶瓷材料的重要方法,尤其在连续纤维及其复合材料(FRCMC)的制备、元素组成与微结构调控等方面具有显著优势。先驱体转化SiBCN陶瓷具有多元素含量可调、化学键合结构可控的特点,构建了不同结构特征和特殊性能的陶瓷材料。近几年,先驱体转化SiBCN陶瓷发展呈现出新的特点,结构功能一体化设计与制备技术受到了国内外的广泛关注。本文主要梳理了2016年至今先驱体转化SiBCN陶瓷的国内外研究进展,首先简要介绍先驱体转化SiBCN陶瓷的主要特点,然后以先驱体转化陶瓷产物的典型特点为分类依据,分别从SiBCN陶瓷先驱体及其陶瓷产物、连续SiBCN陶瓷纤维、SiBCN基复合材料和功能化SiBCN陶瓷4个方面综述了主要研究进展,提出了未来发展趋势和重点任务,期望为SiBCN陶瓷研制与应用研究提供参考,促进我国先进陶瓷材料的发展进步。

先驱体聚合物在陶瓷增材制造中的应用进展

先驱体陶瓷具有分子结构可设计、化学组成可调控、加工成型方便、力学性能优异、易于成型复杂构件、便于实现结构/功能一体化等优点,克服了传统粉末烧结制备陶瓷材料难于设计与成型的问题,对解决航空航天、国防尖端武器装备面临的材料瓶颈问题具有重要意义。在陶瓷增材制造技术的带动下,先驱体陶瓷的发展迎来了新的契机,增材制造先驱体陶瓷的研究得到了越来越多的关注。介绍了增材制造先驱体陶瓷的研究与应用进展,总结了各类陶瓷增材制造技术的优势和不足,并对先驱体陶瓷增材制造目前存在的问题与发展趋势进行了探讨和展望。

PCS/VHPCS复相碳化硅先驱体的制备及性质研究

固态聚碳硅烷和全氢聚碳硅烷是目前研究较多的聚合物碳化硅陶瓷先驱体,在碳化硅陶瓷及其复合材料的制备方面具有广泛应用。制备了由不同比例固态聚碳硅烷(PCS)和乙烯基全氢聚碳硅烷(VHPCS)组成的复相碳化硅陶瓷先驱体,并对先驱体及其裂解产物的理化性质以及结构等进行了研究。研究表明,当PCS引入量低于30 wt.%时,PCS/VHPCS复相先驱体黏度低于200mPa·s;当PCS引入量低于20wt.%时,陶瓷产率可达到80%以上。PCS/VHPCS复相先驱体陶瓷产物为半结晶状β-SiC,晶粒尺寸较小,无明显晶界出现,且元素分布均匀,碳硅比低于PCS衍生陶瓷。

先驱体转化法制备富碳SiOC陶瓷纤维及其吸波性能研究

以聚硅乙炔为原料,利用先驱体转化法制备了一种新型富碳SiOC陶瓷纤维吸波材料。该方法制备的轻质SiOC陶瓷纤维表面光滑无孔,直径在微米级范围内可调。经1200℃陶瓷化后,SiOC纤维基体中产生了大量的石墨化碳、非晶SiO_(2)和纳米SiC陶瓷相,这种Si OC纤维中会存在大量界面结构极大地增强了电磁波吸收性能。以此制备的吸波材料在填充量为30 wt.%、层厚为3.3 mm时,最小吸波强度RLmin就可达到-43.4 dB,有效吸收带宽(RL<-10 dB)为5.6 GHz。因此,SiOC纤维是良好的吸波材料,在吸波领域具有很大的潜力。

活性填料控制的先驱体裂解陶瓷的尺寸变化

对单一先驱体、先驱体／惰性填料、先驱体／活性填料体系裂解陶瓷的尺寸变化进行了模型分析，从理论上分析了活性填料体积分数与裂解陶瓷体积收缩率和线收缩率之间的关系．揭示了活性填料的临界体积分数与活性填料反应的产率、反应前后的密度比之间的相关性．以聚碳硅烷先驱体为例、预测了在下同反应情况下，常见活性填料的临界体积分数．增加活性填料体积分数．可降低陶瓷产物的体积收缩率和气孔率．

先驱体法制备氮化硼陶瓷材料的研究进展

氮化硼陶瓷是一种性能优异并有很大发展潜力的新型陶瓷材料,但是传统的高温合成法无法制备高质量的BN纤维、薄膜、泡沫、涂层或复杂形状的复合材料,只能通过先驱体法实现。简单介绍了先驱体陶瓷技术,重点综述了先驱体法制备氮化硼陶瓷纤维和氮化硼陶瓷复合材料的研究进展,并对先驱体法制备氮化硼陶瓷的发展趋势做了展望。

新型SiBNC陶瓷先驱体——聚硼硅氮烷的合成与表征

以甲基氢二氯硅烷、三氯化硼、六甲基二硅氮烷为起始原料,采用共缩合的方法合成了一种新型的可溶可熔的SiBNC陶瓷先驱体——聚硼硅氮烷(PBSZ).该法合成工艺简单,且合成收率约为91%(w%).采用元素分析、傅立叶红外光谱、核磁共振波谱、X射线光电子能谱、动态热机械分析、热重分析等对PBSZ的组成、结构和性能进行了表征.结果表明,先驱体的主要骨架为—Si—N—B—,其中,B,N以硼氮六环形式存在,而C则以Si—CH3形式存在.该先驱体熔点为69℃,数均分子量为10802,分子量分散系数为1.50.此外,所合成的先驱体具有优良的成型性,在80℃的N2气氛中可纺丝得到15～20μm的有机纤维,1000℃时相应陶瓷产率约为63%(w%).

陶瓷先驱体聚硅烷的合成与表征

以甲基氢二氯硅烷为单体,利用超声波条件下Wurtz聚合的方法,合成了可溶性聚硅烷,研究了对二溴苯和萘对反应的影响,并用红外光谱(IR)、凝胶渗透色谱(GPC)、X射线衍射(XRD)对产物进行了表征.结果表明:对二溴苯和萘均能使聚合反应平稳进行;在含有对二溴苯的反应体系中,所得聚硅烷的分子量较大,聚硅烷的陶瓷产率较高.对聚合机理作了初步探讨.

聚合物先驱体材料体系的陶瓷化研究进展与展望

分析了先驱体转化陶瓷法制备陶瓷涂层的优缺点,阐述了高陶瓷产率聚合物先驱体制备陶瓷涂层的研究现状,分析了聚合物先驱体制备陶瓷涂层存在的问题,提出了探索新的可控制备高质量陶瓷涂层的方法与技术,研制高陶瓷产率的裂解材料体系,注重裂解材料体系的复合化发展和不断完善裂解形成陶瓷涂层的机理是今后需要重点发展的方向。

光聚合陶瓷先驱体裂解制备陶瓷涂层及其抗氧化性能

炭材应用广泛,但在高于500℃的有氧气氛中氧化迅速,其结构和性能受到严重影响。为此,采用光聚合巯基/乙烯基聚硅氮烷(PSN-1)陶瓷先驱体在炭材料表面裂解制备抗氧化陶瓷涂层,采用偏光显微镜和X射线衍射技术探讨了涂层对炭材抗氧化性能的影响。结果表明:先驱体溶液浓度为30%时浸渍效果最好;加入质量比(Ti/PSN-1)为1/10～1/5的钛粉时,制备的涂层抗氧化性能最佳,恒温氧化120min后,失重率仅为18%;最佳的浸渍/裂解循环次数为3次,恒温氧化120min,失重率为15%;聚硅氮烷经高温裂解后最终生成氮化硅陶瓷。

SiBNC体系陶瓷先驱体的研究进展

分别对SiBN、SiBC和SiBNC陶瓷先驱体及其单源先驱体的制备进行了综述。总的来说,陶瓷先驱体的制备可以分为两大类,即采用不同分子的共缩合和单源先驱体的缩聚两种路径。后者由于其单源先驱体分子具有最终陶瓷产物中所具有的组成和结构特征,并且这种特征能保持到最终的产物中,因而最受关注。同时对两种制备方法的发展前景作了初步的分析与讨论。

先驱体转化法制备SiBNC陶瓷

以三氯化硼、甲基氢二氯硅烷、六甲基二硅氮烷为起始原料,通过共缩合路径合成了SiBNC陶瓷先驱体-聚硼硅氮烷(PBSZ),将PBSZ直接在氮气气氛中高温热解可得SiBNC陶瓷。通过元素分析、XPS、NMR、FTIR和XRD等对所得先驱体及相应陶瓷的组成、结构和高温结晶性能进行了表征。结果表明,先驱体的骨架结构为—Si—N—B—,其中,B、N以硼氮六环形式存在,而C则以Si—CH_3形式存在;该先驱体在1000℃下的陶瓷产率为63%,所得SiBNC陶瓷主要由Si_3N_4、BN、SiC等相组成,具有很好的热稳定性能,在1700℃时能够保持非晶态,在1850℃时部分结晶,且其在1500～1850℃间失重仅为3.8%左右。

聚硼硅氮烷先驱体的合成及其目标陶瓷SiBNC的性能冰

以三氯化硼、甲基氢二氯硅烷、六甲基二硅氮烷为起始原料,通过共缩合路径合成了SiBNC陶瓷先驱体-聚硼硅氮烷(PBSZ),将PBSZ在氨气气氛中高温热解可得SiBNC陶瓷.对先驱体及其陶瓷产物的组成、结构和高温结晶性能进行了研究.结果表明,先驱体的骨架结构为-Si-N-B-,其中,B、N以硼氮六环形式存在.1000℃的陶瓷产率为61%,陶瓷中碳含量低于0.5%,具有较好的热稳定性能,能够在1700℃以上保持非晶,在1850℃部分结晶,主要由Si_3N_4、BN和少量SiC组成,1500℃-1850℃间质量损失约为10%.

陶瓷先驱体聚合物的应用

概述了几种典型的陶瓷先驱体聚合物聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚硅氧烷和聚硅烷等在陶瓷材料制备中的应用研究进展,重点阐述了在该领域所取得的研究成果,并针对目前存在的不足提出了今后的研究方向。