一种制备MC‑SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法

摘要

本发明提供一种制备MC‑SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，通过混合含无机元素的乙烯基单体、乙烯基硅烷单体和引发剂，进行原位共聚反应，制得先驱体，通过对所得先驱体烧结制得所需陶瓷材料。该方法所得先驱体具有较好的各项性能，方法简单，生产效率高。

权利要求

1.一种制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，其特征在于，包括以下步骤：按比例混合含无机元素的乙烯基单体、乙烯基硅烷单体和用于使二者发生原位共聚反应的高分子引发剂，进行原位共聚反应后，经过烧结制得所述MC-SiC超高温陶瓷；

所述含无机元素的乙烯基单体分子式为：Cp2M[(CH2)xC2H4]2，x＝0、1、2或3，M＝Zr或Hf；

所述原位共聚反应的反应条件为：在200～300℃下保温4～6小时。

2.根据权利要求1所述的制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，其特征在于，所述乙烯基硅烷的分子式为(C2H3.)x(CH3)ySiH4-x-y，其中x＝2或3，y＝0、1或2且x+y≤4。

3.根据权利要求1所述的制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，其特征在于，所述高分子引发剂为自由基引发剂，所述自由基引发剂为过氧化物引发剂。

4.根据权利要求3所述的制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，其特征在于，所述过氧化物引发剂为过氧化二异丙基苯和-或过氧化二苯甲酰。

5.根据权利要求4所述的制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，其特征在于，所述自由基引发剂按所述含无机元素的乙烯基单体和乙烯基硅烷单体混合物总质量的0.1wt.％～0.5wt.％加入。

6.根据权利要求1～5中任一所述的制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，其特征在于，所述烧结温度为1000～1500℃。

7.根据权利要求6所述的制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，其特征在于，所述先驱体转化制备法在模具中进行。

8.根据权利要求1所述的制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，其特征在于，还包括以下步骤：向所述MC-SiC超高温陶瓷中加入按比例混合的含无机元素的乙烯基单体、乙烯基硅烷单体和用于使二者发生原位共聚反应的高分子引发剂，依序进行原位共聚反应和烧结反应，得到增密MC-SiC超高温陶瓷。

说明书

一种制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超高温陶瓷材料技术领域，具体的涉及一种制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法。

背景技术

[0002] 超高温陶瓷(Ultra-High-Temperature Ceramics，UHTC)(Adv.Mater.Process，2010，168(6):26-28.)，是指能够在温度≥1800℃的环境使用的陶瓷材料。该材料可用作飞行器鼻锥、机翼前缘、发动机热端、工业高温炉壁和耐热管等关键部位，能够适应高马赫数长时飞行、跨大气层飞行、火箭推进系统和头锥以及工业高温金属熔炼等超高温环境，是极具潜力的超高温材料。ZrC-SiC、HfC-SiC等复相陶瓷，不仅具备了难熔金属碳化物的耐超高温性能，而且具备了SiC陶瓷在氧化环境下的钝化作用。因此，MC-SiC复相超高温陶瓷材料具有更好的抗高温氧化和抗蠕变性能，具有重要的应用前景。

[0003] 现有MC-SiC超高温陶瓷材料的制备方法主要分为两类，一类是粉末烧结法，通过金属粉末与树脂球磨混合成浆料在高温下烧结，通常烧结温度需≥1800℃。如CN201210005002.0中公开了一种ZrC-SiC复相陶瓷材料的制备方法，其中使用无机材料锆粉、硅粉和酚醛树脂为原料在1500-1800℃下烧结。如论文“Reactive Hot Pressing of ZrC–SiC Ceramics at Low Temperature”(Journal of the American Ceramic Society，2013，96(1):32-36)，该论文中公开了以ZrC粉末和硅粉为原料在1600℃以上烧结得到ZrC–SiC耐高压陶瓷材料。粉末烧结法的优点是原料简单低廉，缺点是烧结温度高，简单的球磨等物理混合方式，难以使原料实现原子水平的均匀分布，不易制备大型复杂构件，尤其不适于纤维增强的陶瓷基复合材料(FRCMC)。

[0004] 另一种为有机先驱体转化法。相比而言，有机先驱体转化法制备得到的陶瓷材料微结构和晶粒尺寸分布均匀。这类方法的关键和前提是采用合适的先驱体，该先驱体需同时具有良好的溶解性、低温交联活性和较高的陶瓷产率，比如SiC陶瓷所用先驱体为—聚碳硅烷、BN陶瓷先驱体-聚硼氮烷等。对于MC-SiC复相超高温陶瓷材料，可以由单一先驱体制备，也可以由MC和SiC两种先驱体混合物制备。目前，采用两种先驱体制备MC-SiC复相超高温陶瓷材料的文献报道仅有Pizon D，etal.From trimethylvinylsilane to ZrC-SiC hybridmaterials .J .Eur .Ceram .Soc .(2011)，doi:10.1016-j.jeurceramsoc.2010.12.014；Cai T，etal.Synthesis of soluble poly-yne polymers containing zirconium and silicon and corresponding conversion to nanosized ZrC-SiC composite ceramics.Dalton Trans.，2013，42，4285，其难度主要集中在可溶解MC的先驱体合成困难。The preparation of HfC-C ceramics via molecular design，Dalton Trans.，2011年，40，4741中报道了三种有机HfC先驱体的制备方法，但所用前驱体均为不溶高分子先驱体。现有技术中公开将锆酸四丁酯与二乙烯基苯简单混合可以得到均匀稳定的液态先驱体，特别适用于浸渍裂解(PIP)工艺制备ZrC陶瓷。但是，上述研究并不必然能用于制备MC-SiC复相陶瓷材料中，而且也无法采用该方法得到满足前述要求的MC-SiC复相陶瓷材料先驱体。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，该发明解决了MC-SiC复相陶瓷材料通过先驱体转化法制备时，无法合成溶解性好、低温交联活性高的先驱体的技术问题。

[0006] 参见图1，本发明提供一种制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，包括以下步骤：按比例混合含无机元素的乙烯基单体、乙烯基硅烷单体和高分子引发剂，进行原位共聚反应后，经过烧结制得所述MC-SiC超高温陶瓷；所述原料中含无机元素的乙烯基单体、乙烯基硅烷单体的混合比例，可以根据需要进行调整，仅需使该比例满足MC-SiC超高温陶瓷材料的要求即可。另一方面高分子引发剂可以为本领域常用的各类引发剂，仅需能使含无机元素的乙烯基单体和乙烯基硅烷单体能发生原位共聚反应即可。本发明提供的方法以可通过后续高分子反应形成高分子的单体为原料进行反应，通过原位共聚反应制得具有良好的溶解性、低温交联活性和较高的陶瓷产率的先驱体，再通过后续烧结反应，使所得先驱体实现陶瓷化。制得MC-SiC超高温陶瓷。同时还避免了以高分子材料为原料进行烧结反应时，难以控制陶瓷材料中各元素的比例的问题。使得产物中元素组成比例便于调整。烧结条件可以按常规方法进行，仅需能实现有机先驱体转化为陶瓷即可。

[0007] 该方法中所用含无机元素的乙烯基单体分子式为：Cp2M[(CH2)xC2H4]2，x＝0、1、2或3，M＝Zr或Hf。其中含无机元素的乙烯基单体可以为市售或其他方法获得，例如参见论文“Synthesis and characterization of a novel precursor-derived ZrC-ZrB2ultra-high-temperature ceramic composite”(Applied Organometallic Chemistry，2013，27(2)，79–84)。以该单体为原料进行高分子原位共聚反应，能使得原位共聚后所得产物中的活性交联基团数量得到提高，从而增强所得先驱体的低温交联活性。引发剂的使用量可以按具体引发剂的常规要求添加。

[0008] 当然为了提高原位共聚反应产物的纯度，减少其中杂质，还可以在原位共聚反应开始前，对所用反应容器反复抽真空、充干燥氮气至少三次，以排除其中的空气和水分。

[0009] 进一步地，乙烯基硅烷的分子式为(C2H3)x(CH3)ySiH4-x-y，其中x＝2或3，y＝0、1或2且x+y≤4。采用该结构的乙烯基硅烷，能提高原料反应的基团匹配，从而提高所得先驱体的溶解性，从而有利于超高温陶瓷的制备。该分子式的乙烯基硅烷可以为市售或其他方法获得，例如相关化合物结构与性质可以参见《有机硅物化参数与设计数据》，廖洪流等编，ISBN:9787122086433，化学工业出版社，2010年。

[0010] 进一步地，高分子引发剂为自由基引发剂，所述自由基引发剂为过氧化物引发剂。该引发剂易于获得，价格低廉。

[0011] 进一步地，过氧化物引发剂为过氧化二异丙基苯和-或过氧化二苯甲酰。采用该引发剂无需外界提供搅拌等机械力，即可获得较好的原位共聚反应的激发效果。

[0012] 进一步地，自由基引发剂按所述含无机元素的乙烯基单体和乙烯基硅烷单体混合物总质量的0.1wt.％～0.5wt.％加入。按此比例加入，能保证原位共聚反应彻底的情况下，节省引发剂用量。

[0013] 进一步地，原位共聚反应的反应条件为：在150～350℃下保温2～10小时；所述烧结温度为1000～1500℃。按此条件进行原位共聚反应能使所得产物作为先驱体使用时，具有较高的陶瓷产率。

[0014] 进一步地，原位共聚反应的反应条件为：在150～350℃下保温2～10小时；所述烧结温度为1000～1500℃。此时所得产物的陶瓷产率最高。

[0015] 进一步地，原位共聚反应的反应条件为：在200～300℃下保温4～6小时。在此条件下进行烧结，能缩小所得陶瓷的孔隙率，使其具有较高的密度。

[0016] 进一步地，先驱体转化制备法在模具中进行。在模具中进行该反应，能一步到位直接制得具有指定形状的陶瓷材料，减少了后续加工步骤。提高生产效率。

[0017] 进一步地，还包括以下步骤：向所述MC-SiC超高温陶瓷中加入按比例混合的含无机元素的乙烯基单体、乙烯基硅烷单体和用于使二者发生原位共聚反应的高分子引发剂，依序进行原位共聚反应和烧结反应，得到增密MC-SiC超高温陶瓷。具体是指将所得MC-SiC超高温陶瓷放入反应容器中，并向该容器中加入反应原料，依序进行原位共聚和烧结反应，从而提高最终所得陶瓷材料的密度，减少其孔隙率。

[0018] 本发明效果：

[0019] 本发明提供制备MC-SiC超高温陶瓷材料的原位共聚先驱体转化方法，以单体为原料进行高分子共聚反应，并以所得中间产物为先驱体制备陶瓷材料。可以获得具有较高性能的先驱体，从而实现了先驱体转化法制备合格的MC-SiC超高温陶瓷材料。制备工艺简单，组成调控容易、应用性，适用于制备MC-SiC超高温陶瓷材料。通过本方法直接采用单体化合物在自由基引发剂作用下发生原位共聚反应获得聚合物先驱体，不需要提前合成先驱体，不仅简化了工艺，而且便于调节各组分的比例。

[0020] 具体请参考根据本发明的MC-SiC超高温陶瓷的先驱体转化制备法提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

[0021] 图1是本发明优选实施例的MC-SiC超高温陶瓷材料的原位先驱体转化方法流程示意图。

具体实施方式

[0022] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0023] 实施例

[0024] 以下实施例中所用物料和仪器均为市售。

[0025] 实施例1

[0026] 以二乙烯基二茂锆(分子式Cp2Zr(C2H4)2)、三乙烯基硅烷(分子式(C2H4)3SiH)为起始原料，将模具反复抽真空、充干燥氮气至少三次以后，将二乙烯基二茂锆、三乙烯基硅烷以及过氧化二异丙基苯DCP按比例混合后，注入模具中；模具注满后，将模具加热至350℃，并在此温度下保温10小时进行原位共聚，然后升温至1000℃，冷却至室温，即得到ZrC-SiC超高温陶瓷材料，组成为ZrC7.8Si1.1。

[0027] 实施例2

[0028] 以二烯丙基基二茂锆(分子式Cp2Zr[(CH2)(C2H4)]2)、甲基二乙烯基硅烷(分子式(C2H4)2(CH3)SiH)为起始原料，将模具反复抽真空、充干燥氮气至少三次以后，将二烯丙基基二茂锆、甲基二乙烯基硅烷以及过氧化二异丙基苯DCP混合后，注入模具中；模具注满后，将模具加热至150℃，并在此温度下保温2小时进行原位共聚，然后升温至1500℃，冷却至室温，即得到ZrC-SiC超高温陶瓷材料，组成为ZrC6.4Si0.6。

[0029] 实施例3

[0030] 以二丁烯基二茂锆(分子式Cp2Zr[(CH2)2(C2H4)]2)、甲基三乙烯基硅烷(分子式(C2H4)3(CH3)Si)为起始原料，将模具反复抽真空、充干燥氮气至少三次以后，将二丁烯基二茂锆、甲基三乙烯基硅烷以及过氧化二苯甲酰BPO混合后，注入模具中；模具注满后，将模具加热至240℃，并在此温度下保温6小时进行原位共聚，然后升温至1350℃，冷却至室温，即得到ZrC-SiC超高温陶瓷材料，组成为ZrC9.2Si2.1。

[0031] 实施例4

[0032] 以二乙烯基二茂锆(分子式Cp2Zr(C2H4)2))、二甲基二乙烯基硅烷(分子式(C2H4)2(CH3)2Si)为起始原料，将模具反复抽真空、充干燥氮气至少三次以后，将二乙烯基二茂铪、二甲基二乙烯基硅烷以及过氧化二苯甲酰BPO混合后，注入模具中；模具注满后，将模具加热至280℃，并在此温度下保温4小时进行原位共聚，然后升温至1450℃，冷却至室温，即得到MC-SiC超高温陶瓷材料，组成为ZrC6.1Si0.4。

[0033] 实施例5

[0034] 以二乙烯基二茂铪(分子式Cp2Hf(C2H4)2)、三乙烯基硅烷(分子式(C2H4)3SiH)为起始原料，将模具反复抽真空、充干燥氮气至少三次以后，将二乙烯基二茂锆、三乙烯基硅烷以及过氧化二异丙基苯DCP按比例混合后，注入模具中；模具注满后，将模具加热至200℃，并在此温度下保温10小时进行原位共聚，然后升温至1000℃，冷却至室温，即得到ZrC-SiC超高温陶瓷材料，组成为ZrC7.8Si1.1。

[0035] 实施例6

[0036] 以二烯丙基基二茂铪(分子式Cp2Hf[(CH2)(C2H4)]2)、甲基二乙烯基硅烷(分子式(C2H4)2(CH3)SiH)为起始原料，将模具反复抽真空、充干燥氮气至少三次以后，将二烯丙基基二茂锆、甲基二乙烯基硅烷以及过氧化二异丙基苯DCP混合后，注入模具中；模具注满后，将模具加热至300℃，并在此温度下保温2小时进行原位共聚，然后升温至1500℃，冷却至室温，即得到ZrC-SiC超高温陶瓷材料，组成为ZrC6.4Si0.6。

[0037] 实施例7

[0038] 以二丁烯基二茂铪(分子式Cp2Hf[(CH2)3(C2H4)]2)、甲基三乙烯基硅烷(分子式(C2H4)3(CH3)Si)为起始原料，将模具反复抽真空、充干燥氮气至少三次以后，将二丁烯基二茂锆、甲基三乙烯基硅烷以及过氧化二苯甲酰BPO混合后，注入模具中；模具注满后，将模具加热至270℃，并在此温度下保温6小时进行原位共聚，然后升温至1350℃，冷却至室温，即得到ZrC-SiC超高温陶瓷材料，组成为ZrC9.2Si2.1。

[0039] 实施例8

[0040] 以二乙烯基二茂铪(分子式Cp2Hf(C2H4)2))、二甲基二乙烯基硅烷(分子式(C2H4)2(CH3)2Si)为起始原料，将模具反复抽真空、充干燥氮气至少三次以后，将二乙烯基二茂铪、二甲基二乙烯基硅烷以及偶氮二异丁腈AIBN混合后，注入模具中；模具注满后，将模具加热至310℃，并在此温度下保温4小时进行原位共聚，然后升温至1450℃，冷却至室温，即得到MC-SiC超高温陶瓷材料，组成为ZrC6.1Si0.4。

[0041] 表1实施例1～8中原料混合比例调控表

[0042]

[0043] 实施例1～8中所得材料及其先驱体的各项性能列于表2中。其中先驱体是指，实施例1～8中原位共聚反应完成后所得物质。

[0044] 先驱体溶解度试验：将该物质置于100mL二甲苯中在室温下进行搅拌2小时后，测定残余固体物质量，用初始物质量减去残余固体物质量，得到该物质发生溶解的部分质量。

[0045] 先驱体低温交联活性试验：测定先驱体在350℃下热处理2h后的凝胶含量，以反映其交联活性。(凝胶含量的测定可以参考以下步骤：利用索氏提取器，将待测物质浸入二甲苯溶剂中提取10小时，测量待测物质中未溶解部分的质量)。

[0046] 陶瓷转化率试验：是指原料混合物发生交联反应后，在氮气气氛中加热到1000℃后停止加热后，所得裂解产物的重量与该原料混合物的初始重量的百分比。

[0047] 重量变化率是指，试验前样品重量为100g，测定试验后的样品质量，试验后的样品重量除以试验前样品重量的百分率。

[0048] 表2实施例1～8中所得产物及其先驱体的各项性表

[0049]

[0050] 参见表2，可知本发明提供的方法可以制得能耐受1800℃以上温度环境的超高温陶瓷材料。其中得到的先驱体具有良好的溶解性、较高的低温交联活性和陶瓷转化率。由此可知，本发明提供的方法可得到具有优良性能的先驱体，从而实现了对超高温陶瓷的制备。

[0051] 本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

[0052] 通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。