聚碳硅烷的高温高压生成机理研究

分别以聚二甲基硅烷(PDMS)、液态聚硅烷(LPS)及PDMS裂解剩余物(LPCS)为原料,在不同的温度下高压合成聚碳硅烷(PCS),采用红外、紫外、核磁共振、分子量及其分布等分析PCS的组成、结构随温度的变化.同时,采用改变减压蒸馏温度的办法,对PCS进行分级,收集在不同蒸馏温度下的馏分,通过对一系列馏分进行了IR分析,以此推测PCS的转化过程.研究表明,PCS的生成过程是随着温度的升高,PDMS、LPS中键能较低的Si—Si键断裂,逐渐转变成为键能较高的Si—C键,转化为低分子的碳硅烷;随着温度的升高,碳硅烷分子间发生脱氢、脱甲烷缩合反应使产物的分子量逐渐长大,生成PCS.     

聚锆碳硅烷陶瓷先驱体的制备与表征

为了提高SiC陶瓷纤维的综合性能,利用聚二甲基硅烷(PDMS)热解制得的液相产物聚硅碳硅烷(PSCS)与乙酰丙酮锆(Zr(AcAc)4)反应,制备了含锆SiC陶瓷纤维的先驱体聚锆碳硅烷(PZCS).选用液相PSCS作为反应原料,可使锆元素在先驱体中分布更加均匀,并能防止Zr(AcAc)4在反应过程中升华.实验合成的PZCS化学式为SiC1.94HxO0.066Zr0.0104,数均分子量Mn=200~400,再成型性良好.反应机理研究表明,反应过程中存在PSCS裂解重排反应,Si—H键在反应中显示出很高的活性,PZCS分子量的增加是PSCS形成的Si—H键与Zr(AcAc)4的配位基发生交联反应的结果.利用PZCS制备的Si—Zr—C—O陶瓷纤维平均强度2.6GPa,平均直径11μm,性能优异.     

SiC纤维的化学气相生长与表征

以一甲基三氯硅烷为气源化合物, 二茂铁为催化剂, 噻吩为催化助剂, 用化学气相生长法直接制备SiC纤维. 研究了裂解温度、催化剂及助剂浓度及H2与MTS的配比等因素对裂解产物形态的影响. 分别采用SEM, EDX和XRD对产物的组成和形貌进行了表征. 结果表明, 产物由单一的β-SiC组成. 通过改变反应条件, 无需高、低压气氛及激光辅助, 即可以获得直径为20 nm~1.5 μm、长度从10 μm至数毫米的高长径比SiC纤维.     

新型氮化硼陶瓷纤维先驱体——含硅聚硼氮烷的合成与表征

以三氯化硼、六甲基二硅氮烷为起始原料, 采用一步法合成了一种新型含硅氮化硼陶瓷纤维先驱体——含硅聚硼氮烷. 该法合成工艺简单, 且合成收率约为87%(质量分数). 采用元素分析、傅立叶红外光谱、核磁共振波谱、热机械分析、动态流变分析等对含硅聚硼氮烷的组成、结构和性能进行了表征. 结果表明, N—B为含硅聚硼氮烷先驱体的骨架结构, 其中, B, N主要以硼氮六环形式存在, 而Si则以Si—CH₃, Si—N形式存在. 该先驱体软化点为110 ℃, 具有优良的成型性, 在190 ℃的N₂气氛中可纺丝得到20～25 μm的有机纤维.     

含硅聚硼氮烷裂解转化制备氮化硼陶瓷纤维

以低活性含硅聚硼氮烷为先驱体,经熔融纺丝,BCl₃脱硅不熔化处理以及在氨气气氛中高温裂解制备的氮化硼纤维仍含有硅元素,这主要是含硅聚硼氮烷结构中的B-N(SiMe₃)₂和B-N(SiMe₃)-B由于位阻与BCl₃反应脱除SiMe₃不完全所致.而采用HCl首先与含硅聚硼氮烷反应减少其位阻,再通过BCl₃进一步脱硅不熔化处理制备的氮化硼陶瓷纤维经FT-IR、X射线衍射(XRD)分析表明纤维基本不含硅元素,并且扫描电子显微镜(SEM)表明得到的氮化硼陶瓷纤维直径约为11μm,断面致密无孔,室温下抗拉强度为0.45GPa.     

静电纺丝法制备SiC纤维及其表征

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与聚碳硅烷(PCS)为原料,利用静电纺丝法制得PCS/PVP复合纤维,通过空气交联,氩气(Ar)气氛下高温(1000～1400 ℃)处理以及空气中500 ℃除碳,最终得到碳化硅(SiC)纤维.利用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)及X射线光电子能谱(XPS)等对所得纤维进行形貌、微观结构和成分分析,并研究了不同处理温度对SiC纤维结构和形貌的影响.结果表明,利用静电纺丝法可以得到质量较好的SiC纤维,热处理温度为1000 ℃和1200 ℃时得到无定形的SiC纤维,热处理温度为1400 ℃时可以得到结晶较好的β-SiC纤维.     

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15～20 μm的有机纤维, 1000 ℃时相应陶瓷产率约为63% (w%).     

Si-Zr-C-O纤维的耐高温抗氧化性能研究

以聚硅碳硅烷(PSCS)与乙酰丙酮锆为原料合成聚锆碳硅烷(PZCS),采用先驱体转化法制备了Si-Zr-C-O纤维.通过元素分析、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和俄歇电子能谱(AES)等分析测试手段研究了Si-Zr-C-O纤维的组成结构及其耐高温抗氧化性能.结果表明:Si-Zr-C-O纤维的元素组成为SiC1.24HxO0.56Zr0.0129,平均强度2.5GPa,平均直径11μm,纤维表面光滑平坦,没出现孔洞、裂纹、沟槽等缺陷,直径均匀.该纤维耐超高温性能良好,在1450和1600℃处理后,强度保留率分别为72%和36%,1800℃处理后Si-Zr-C-O纤维的化学式为SiC0.99HxO0.1Zry,纤维氧含量大大降低;纤维抗氧化性能良好,空气中1000℃热处理20h后,强度保留率为71.2%,热处理100h后,强度保留率为50%.     

反应温度对聚二甲基硅烷高压合成聚碳硅烷性能的影响

以聚二甲基硅烷(PDMS)为原料,在高压釜内高温高压合成了聚碳硅烷(PCS)先驱体.研究了反应温度对合成的PCS的Si—H键含量、支化度、Si—Si键含量、分子量及其分布、软化点及产率的影响.研究表明,随着反应温度的提高,分子量及软化点均明显增加,分子量分布变宽,支化度升高,Si—Si键含量明显降低.当反应温度低于460℃时,Si—H键含量及产率随反应温度的升高逐渐升高,当反应温度高于460℃时,由于分子间的缩合及热交联二者逐渐降低.在反应过程中PDMS首先转化为小分子量的PCS,然后是小分子PCS分子间发生脱氢及少量脱甲烷缩合使分子量长大.当反应温度高于450℃时,PCS分子量分布出现中分子量峰,Si—Si键含量较低,在室温空气中比较稳定.     

聚异丙胺基环硼氮烷裂解制备氮化硼及其抗氧化与介电性能

以异丙胺和三氯环硼氮烷(TCB)为原料,在较温和条件下合成了一种可溶可熔的聚异丙胺基环硼氮烷(PTPiAB),后经高温裂解制得六方氮化硼(h-BN).利用元素分析、TGA、FTIR、XRD和网络分析仪等对先驱体及裂解产物的组成、结构和性能进行了表征.结果表明,PTPiAB的结构中含有B3N3六元环,N-H、C-H和C-N键,其熔点约70 oC.1000 oC时在NH3和Ar中的陶瓷产率分别为45.9 %和52.8 %.NH3中裂解失重主要发生在800 oC以下,1000 oC左右开始结晶,1800 oC时得到BN的(002)晶面间距为0.334 nm,密度为2.03 g·cm-3.该BN表现出了较好的高温抗氧化性能,在空气中900 oC以下增重小于0.3%.此外,室温下测试频率为10 GHz时的介电常数实部和损耗角正切分别为2.48和0.03.