CN102643101A - 一种c/sibnc复合材料的制备方法 - Google Patents

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余木火
刘振全
韩克清
彭雨晴
牟世伟
张婧
袁佳
王征辉
邓智华
孙泽玉
邱显星
唐彬彬
胡建建
贾军
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Abstract

本发明涉及一种C/SIBNC复合材料的制备方法，包括：(1)将单体BSZ聚合得到聚硅氮硼烷前驱体聚合物；(2)将碳纤维布热压浸渍于上述聚硅氮硼烷前驱体聚合物中；(3)将步骤(2)得到的浸渍有聚硅氮硼烷前驱体聚合物的碳纤维布进行交联处理；(4)将步骤(3)得到的碳纤维布进行热压成型，然后降到室温，并在降温过程中逐渐释放压力，得到热压成型后的不熔化样品；(5)将步骤(4)得到的热压成型后的不熔化样品进行高温烧结，即得。本发明的制备方法简单，成本低，对设备的要求不高；本发明得到的C/SIBNC复合材料密度大，气孔小，成分均匀，无裂纹，性能优异。

Description

一种C/SIBNC复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于SIBNC复合材料的制备领域，特别涉及一种C/SIBNC复合材料的制备方法。 
背景技术
SiBNC陶瓷具有优异的耐高温、抗氧化、抗热震以及抗蠕变等性能，应用前景广泛，但SiBNC陶瓷的脆性大，大大限制了它的应用，用C纤维增强SiBNC制得复合材料，可以克服SiBNC陶瓷的脆性，同时保留基体耐高温性、抗氧化、抗热震等优异性能，因此C/SiBNC复合材料可作为天线罩烧蚀-承载区的候选材料。 
但由于前驱体浸渍法得到的C/SiBNC复合材料陶瓷基体在高温烧结过程中有小分子溢出，会出现“发泡”现象，导致复合材料基体有很多气孔，密度很小，内部有很多裂纹，力学性能很差。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种C/SIBNC复合材料的制备方法，该方法简单，成本低，对设备的要求不高，得到的C/SIBNC复合材料密度大，气孔小，成分均匀，无裂纹，性能优异。 
本发明的一种C/SIBNC复合材料的制备方法，包括下列步骤： 
(1)聚硅氮硼烷前驱体聚合物的聚合： 
将单体BSZ(氮甲基硅氮硼烷)在80-230℃聚合6-40h得到聚硅氮硼烷前驱体聚合物。 
(2)碳纤维布浸渍聚硅氮硼烷前驱体聚合物： 
在室温至300℃下将碳纤维布浸于上述聚硅氮硼烷前驱体聚合物中，压力为真空或者10-750Mpa，热压浸渍0.5-30h； 
(3)交联处理： 
将步骤(2)得到的浸渍有聚硅氮硼烷前驱体聚合物的碳纤维布进行交联处理，具体操作为在惰性气氛下以1-20℃/min的升温速率升到200-500℃，保温2-30h，使前驱体充分交联，达到不熔化的目的； 
(4)热压： 
在惰性气氛保护下将步骤(3)得到的碳纤维布在80-500℃且40-750Mpa压力下保持0.1-5h进行热压成型，然后降到室温，并在降温过程中逐渐释放压力，得到热压成型后的 不熔化样品； 
(5)高温烧结： 
在惰性气氛下，将步骤(4)得到的热压成型后的不熔化样品以0.1-20℃/min升温速率加热至800-2000℃，保温0.1-20h，然后降至室温，即得到C/SIBNC复合材料。 
所有的步骤都是在隔绝空气和水分的情况下进行的。 
所述步骤(2)中热压浸渍是在高纯(99.999％)氮气或高纯氩气中进行的。 
所述步骤(3)、(4)、(5)中的惰性气氛为高纯氩气或高纯氮气。 
所述步骤(4)所得到的热压成型后的不熔化样品中含有3-10层碳纤维布，纤维的质量含量在15％-70％。 
本发明采用热压-烧结法得到了气孔率小，无裂纹，性能优良的C/SiBNC复合材料。 
本发明通过将C纤维布浸渍具有一定交联度的SIBNC陶瓷材料前驱体中，在一定的温度和压力下进行热压成型，然后将成型的样品进行高温烧结，即可。 
本发明的一种C/SIBNC复合材料的制备过程如图1所示。 
有益效果： 
(1)本发明的制备方法简单，成本低，对设备的要求不高； 
(2)本发明得到的C/SIBNC复合材料密度大，气孔小，成分均匀，无裂纹，性能优异。 
附图说明
图1为本发明的制备C/SIBNC复合材料的工艺流程图； 
图2为在150℃聚合32h的聚硅氮硼烷前驱体聚合物在250℃，500Mpa压力下保持5h后得到的照片 
图3为在150℃聚合32h的聚硅氮硼烷前驱体聚合物在250℃，500Mpa压力下保持5h后在氩气气氛下以1℃/min烧结到1400℃C/SiBNC复合材料断面SEM照片。 
图4为在150℃聚合32h的聚硅氮硼烷前驱体聚合物在250℃，500Mpa压力下保持5h后在氩气气氛下以1℃/min烧结到1400℃复合材料基体的红外曲线。 
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而 不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 
实施例1 
将70g四氯化硅(0.41mol)和12.5g的六甲基硅氮烷(0.08mol)一起置于250ml的三口烧瓶中，在室温下搅拌20h，得到的产物在-40℃下缓慢的滴加入装有163g的三氯化硼(1.39mol)的500ml的烧瓶中。滴加完后温度升至0℃反应1h，再缓慢的升至室温，然后在-78℃强烈搅拌下向三口烧瓶中缓慢滴加到100ml的甲胺的无水甲苯溶液中，当滴加完后，温度升至0℃，反应5h，在升至室温反应10h，然后在真空下强烈搅拌到75℃去除甲苯，可得到单体氮甲基硅氮硼烷(BSZ)。上述的操作过程均需在无水无氧的环境中进行。 
实施例2 
将单体BSZ在130℃下聚合12h得到聚硅氮硼烷前驱体聚合物。将碳纤维布在室温下真空浸渍聚硅氮硼烷前驱体聚合物10h，然后将浸渍后的碳纤维置于烧结炉中使聚硅氮硼烷前驱体聚合物发生交联反应，该操作在惰性气氛下以5℃/min的升温速率升到280℃，保温4h，使前驱体充分交联。将上述步骤处理后得到的碳纤维布放入不锈钢模具，升温到80℃，在100Mpa压力下保持0.5h，然后在降温到室温的过程中逐渐将压力卸载。接着将脱模的样品装入高温烧结炉内，在惰性气氛下以5℃/min升温速率加热至1400℃，保温3小时，然后降至室温，得到C/SIBNC复合材料。 
实施例3 
将单体聚硅氮硼烷前驱体在150℃下聚合20h得到具有一定聚合度的聚硅氮硼烷前驱体聚合物。将处理过的碳纤维浸于聚硅氮硼烷前驱体聚合物，在100℃真空浸渍10h，将浸渍在碳纤维上的聚硅氮硼烷前驱体聚合物置于烧结炉中进行不熔化处理，该操作在惰性气氛下以10℃/min的升温速率升到300℃，保温10h，使前驱体充分交联。然后将上述步骤处理后得到的碳纤维装入不锈钢模具，升温到120℃，在200Mpa压力下保持1h，然后在降温到室温的过程中逐渐将压力卸载。接着将脱模的样品装入高温烧结炉内，以1℃/min升温速率在惰性气氛下加热至1600℃，保温0.5h，然后降至室温，得到最终样品。 
实施例4 
将单体聚硅氮硼烷前驱体聚合在180℃下，聚合25h得到具有一定聚合度的聚硅氮硼烷前驱体聚合物。将处理过的碳纤维浸于聚硅氮硼烷前驱体聚合物，在80℃真空浸渍20h，将浸渍在碳纤维上的聚硅氮硼烷前驱体聚合物置于烧结炉中进行不熔化处理，该操作在惰性气氛下以15℃/min的升温速率升到350℃，保温15h，使前驱体充分交联。然后将上述步骤处理后得到的碳纤维装入不锈钢模具，升温到180℃，在300Mpa压力下保持1.5h，然后在降温到室温的过程中逐渐将压力卸载。接着将脱模的样品装入高温烧结炉内，以10℃/min升温速率在惰性气氛下加热至1000℃，保温2h，然后降至室温，得到最终样品。上述所有的步骤都是在隔绝空气和水分的情况下进行的。 
实施例5 
将单体聚硅氮硼烷前驱体聚合在200℃下，聚合30h得到具有一定聚合度的聚硅氮硼烷前驱体聚合物。将处理过的碳纤维浸于聚硅氮硼烷前驱体聚合物，在100℃、50Mpa热压浸渍10h，将浸渍在碳纤维上的聚硅氮硼烷前驱体聚合物置于烧结炉中进行不熔化处理，该操作在惰性气氛下以15℃/min的升温速率升到400℃，保温20h，使前驱体充分交联。然后将上述步骤处理后得到的碳纤维装入不锈钢模具，升温到200℃，在100Mpa压力下保持0.5h，然后在降温到室温的过程中逐渐将压力卸载。接着将脱模的样品装入高温烧结炉内，以5℃/min升温速率在惰性气氛下加热至1800℃，保温3h，然后降至室温，得到最终样品。 
实施例6 
将单体聚硅氮硼烷前驱体聚合在150℃下，聚合32h得到具有一定聚合度的聚合物。将处理过的碳纤维浸于聚硅氮硼烷前驱体聚合物，在200℃、500Mpa下热压浸渍20h，将浸渍在碳纤维上的聚硅氮硼烷前驱体聚合物置于烧结炉中进行不熔化处理，该操作在惰性气氛下以15℃/min的升温速率升到400℃，保温24h，使前驱体充分交联。然后将上述步骤处理后得到的碳纤维装入不锈钢模具，升温到250℃，在500Mpa压力下保持5h，然后在降温到室温的过程中逐渐将压力卸载。接着将脱模的样品装入高温烧结炉内，以5℃/min升温速率在惰性气氛下加热至1600℃，保温5h，然后降至室温，得到最终样品。 

Claims (5)

1.一种C/SIBNC复合材料的制备方法，包括：
(1)将单体氮甲基硅氮硼烷BSZ在80-230℃聚合6-40h得到聚硅氮硼烷前驱体聚合物；
(2)在室温至300℃下将碳纤维布浸于上述聚硅氮硼烷前驱体聚合物中，压力为真空或者10-750Mpa，热压浸渍0.5-30h；
(3)将步骤(2)得到的浸渍有聚硅氮硼烷前驱体聚合物的碳纤维布进行交联处理，具体操作为在惰性气氛下以1-20℃/min的升温速率升到200-500℃，保温2-30h；
(4)在惰性气氛保护下将步骤(3)得到的碳纤维布在80-500℃且40-750Mpa压力下保持0.1-5h进行热压成型，然后降到室温，并在降温过程中逐渐释放压力，得到热压成型后的不熔化样品；
(5)在惰性气氛下，将步骤(4)得到的热压成型后的不熔化样品以0.1-20℃/min升温速率加热至800-2000℃，保温0.1-20h，然后降至室温，即得。
2.根据权利要求1所述的一种C/SIBNC复合材料的制备方法，其特征在于：所述的整个制备方法都是在隔绝空气和水分的情况下进行的。
3.根据权利要求1所述的一种C/SIBNC复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中热压浸渍是在高纯氮气或高纯氩气中进行的。
4.根据权利要求1所述的一种C/SIBNC复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)、(4)、(5)中的惰性气氛为高纯氩气或高纯氮气。
5.根据权利要求1所述的一种C/SIBNC复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)所得到的热压成型后的不熔化样品中含有3-10层碳纤维布，纤维的质量含量在15％-70％。
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