前驱体聚合物转化法制备SiBNC陶瓷纤维的热解过程研究

采用前驱体聚合物转化法制备SiBNC陶瓷纤维。通过高温热失重分析(TGA)、色谱-质谱联用技术(GC-MS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)以及元素分析(EA)等手段对前驱体纤维的热解过程进行了研究。研究结果表明,前驱体纤维从室温升至1500℃的过程中出现三段明显的热失重区域,结合FTIR和GC-MS分析可知在室温至800℃的升温过程中化学结构出现显著变化,并且主要逸出了甲胺和甲烷气体,同时EA结果显示碳含量明显下降,当热解温度达到800℃时陶瓷化转变过程基本完成。1600℃时热解得到的SiBNC陶瓷纤维主要结构为B-N、Si-N。

硅基聚合物耐高温衍生陶瓷涂层制备与应用研究进展

随着航空航天领域的不断发展,金属以及碳材料等高温结构部件的服役条件日益苛刻。通过恰当的工艺在高温结构部件表面制备硅基陶瓷涂层并赋予其特殊性能,可有效提高高温结构部件的使用寿命。近年来,聚合物前驱体转化陶瓷涂层逐渐成为一种无机涂层制备的新方法。该方法具有制备工艺简便、涂层功能拓展性强等特点,得到了研究者越来越多的关注。本文主要综述了硅基聚合物前驱体转化陶瓷涂层的研究进展。首先从聚合物陶瓷涂层的制备展开,简要介绍了硅基聚合物前驱体、填料种类以及涂覆工艺和裂解方式对涂层结构以及性能的影响。随后,重点讨论了聚合物前驱体转化陶瓷涂层在耐高温防护领域,包括抗氧化、环境障、热障涂层的应用进展。最后,指出了聚合物陶瓷涂层在涂层性能提升及缺陷控制等方面的问题,并对其发展方向进行了展望,例如通过在硅基前驱体中引入Hf,Zr,Ta等超高温元素,提高陶瓷涂层的耐温等级,以及发展高效的陶瓷化新技术,从而提高陶瓷转化效率及涂层适用性范围等。

硅硼碳氮陶瓷前驱体聚硼硅氮烷的合成与表征

以三氯化硼(BCl3)、三氯硅烷(HSiCl3)和六甲基二硅氮烷(Me6Si2NH)为原料,通过聚合物前驱体转化陶瓷(polymer-derived ceramics,PDCs)法成功合成了硅硼碳氮(SiBNC)陶瓷前驱体--聚硼硅氮烷(PBSZ)。采用傅里叶变换红外光谱、核磁共振、X射线光电子能谱、热重分析和差示扫描量热对PBSZ的结构和热性能进行分析。结果表明,PBSZ结构中存在硅氮硼(Si—N—B)网络和六元硼氮(B—N)环。在氮气中,800℃时PBSZ的陶瓷产率为53.9%。

共聚单体对聚硼氮硅烷组成结构及性能的影响

在以三氯化硼(BCl3)、甲基二氯硅烷(Si Cl2Me H)和甲胺(CH3NH2)为初始原料合成的Si BNC陶瓷纤维前驱体聚合物聚硼氮硅烷的基础上,通过添加不同质量分数的共聚单体3-氨丙基封端的聚二甲基硅氧烷对其进行共聚改性。分别采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振光谱(NMR)、凝胶渗透色谱仪(GPC)、热失重分析(TGA)以及力学性能测试等表征了改性前后前驱体聚合物的结构、分子量及其分布、陶瓷化得率及力学性能的变化。研究结果表明,共聚改性后Si-O-Si结构成功引入到前驱体聚合物分子链中,改性前驱体聚合物的数均分子量有所提高,分子量分布变窄。随着共聚单体添加量的增加,900℃时陶瓷化产率逐渐降低,前驱体纤维平均断裂伸长率由0.85%提高到3.62%,其柔韧性得到明显改善,而拉伸强度变化不大,因此有望改善前驱体纤维在后续加工过程中的退绕问题。

SiBN陶瓷纤维的高温抗氧化性研究

采用FTIR及TG对SiBN陶瓷纤维的结构及高温稳定性进行分析,在空气气氛中1 400℃下对其进行高温氧化处理,并利用SEM、XRD、EDS等手段对高温处理后陶瓷纤维的结构及元素分布情况进行表征。结果表明:SiBN陶瓷纤维具有良好的高温稳定性,Si—N键、B—N键构成了SiBN陶瓷纤维的骨架架构,其碳的质量分数仅为0.1%;经高温氧化处理后SiBN纤维出现明显的皮芯结构,其中O元素以SiO2的形式主要富集在皮层,隔绝了纤维内部与空气的接触,从而保证了纤维的高温稳定性。另外,高温氧化处理后仍保持其纤维形状,结构致密,无明显孔洞,且仍为无定型结构。