CN103101258A

CN103101258A - 一种SiOC/C层状复合陶瓷及其制备方法

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Publication number: CN103101258A
Application number: CN2013100355019A
Authority: CN
Inventors: 覃春林; 温广武; 王春雨; 王鑫宇; 宋亮
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology; Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明涉及一种SiOC/C层状复合陶瓷及其制备方法，其以纸张、含氢硅油、乙二胺为原料，各组分重量百分比为：含氢硅油25~38%，乙二胺29%~41%，纸张30~40%，纸张叠层在含氢硅油和乙二胺反应形成的Si-O-N-C有机聚合物中反复浸渍，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；层状复合预制体经烧结得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。本发明制备方法简单，容易操作，陶瓷产出率高，得到的陶瓷材料的热稳定性能好。本发明制备的SiOC/C层状复合陶瓷材料可广泛应用在机械、航空航天、能源和军事等高温材料领域。

Description

一种SiOC/C层状复合陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种层状复合陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种用含氢硅油和纸张制备SiOC/C层状复合陶瓷及其制备方法。

背景技术

在机械、航空航天、能源和军事等高温材料领域，对材料在比强度、比刚度、硬度、韧性、耐磨性能、耐腐蚀性能和高温性能等方面的要求与日俱增。陶瓷材料作为一种性能优良的材料，由于韧性低、脆性大、抗破坏能力差，限制了它在许多领域的应用，多少年来陶瓷工作者一直在试图通过各种方法改善其韧性。当前陶瓷材料增韧研究的一个热点是陶瓷基层状复合材料，它变陶瓷的整体结构为层状结构，仿照自然界中贝壳利用简单组分的精细复合来达到优异的性能。这种设计是建立在能量耗散的基础之上的，使其发展成为一种对缺陷不敏感的材料。

目前制备复合陶瓷所用的原料大都为化工与矿物原料，这些矿材正日益枯竭，需要寻找可再生资源来制备层状复合陶瓷。中国专利CN 200910072193.0中公开了一种新型羟基磷灰石/SiOC生物陶瓷复合材料及其制备方法，本申请人的中国专利CN200410044158.5中公开了用含氢硅油和Al粉制备的SiAlONC陶瓷及其制备方法。而关于用纸张和含氢硅油制备SiOC/C层状复合陶瓷及其制备方法未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种生产成本低，制备方法简单、容易操作，生产效率高的SiOC/C层状复合陶瓷及其制备方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种SiOC/C层状复合陶瓷，其特征是：其以纸张、含氢硅油、乙二胺为原料，原料中各组分重量百分比为：含氢硅油25~38%，乙二胺29%~41%，纸张30~40%，纸张叠层，在含氢硅油和乙二胺反应形成的Si-O-N-C有机聚合物中反复浸渍，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；层状复合预制体经烧结得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。

本发明得到的层状复合陶瓷在1200~1750℃之间以非晶态为主，密度为2.0~2.1g/cm³，抗弯强度为100~330Mpa，断裂韧性为2.09~2.11MPa·m^1/2，维氏硬度为0.5~6.4Gpa，陶瓷的产出率达87~90%。

本发明所述纸张为报纸、滤纸、宣纸和账本纸等各种纸。所述纸张叠层为100-400层。

本发明上述SiOC/C层状复合陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：a、按重量百分比1:1~2:3取含氢硅油和乙二胺进行混合，在温度为0~100℃的条件下不断搅拌2~24小时，反应形成Si-O-N-C有机聚合物；b、按重量百分比取Si-O-N-C有机聚合物60~70%，纸张30~40%，进行反复浸渍，具体方法是将100~400层的纸张在Si-O-N-C有机聚合物中浸渍10-30分钟，取出在温度80-120℃下烘干，如此反复浸渍多次，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；c、将层状复合预制体装在热压或气压烧结炉中，炉膛内抽真空，开始加热至1200℃，然后通入氮气，并始终保持1个大气压的氮气，升温至1400℃保温1小时，然后继续升温至1600~1750℃之间，保温1~2小时，烧结后得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。

本发明将纸张叠层，通过浸渍含氢有机硅油先驱体转换法，经裂解热压等工艺过程，制备得SiOC/C层状复合陶瓷。一方面，将报纸这类可再生资源充分利用起来，达到生态化。另一方面，也为木材的深加工提供了很好的途径。同时，利用纸张的纤维成分，还可以得到木材陶瓷许多优异性能，如良好的隔热性、耐磨损、耐腐蚀、阻尼、电学和电磁屏蔽等性能，以及高比表面、轻质、多孔等性能，在工业领域具有很大应用潜力。

本发明采用廉价的有机含氢硅油作为有机聚合物先驱体的主要原料，以纸张作为叠层组分，从降低有机聚合物先驱体的成本。本发明的制备方法简单，容易操作，陶瓷产出率高，得到的陶瓷材料的热稳定性能好。本发明制备的SiOC/C层状复合陶瓷材料可广泛应用在机械、航空航天、能源和军事等高温材料领域。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明一种SiOC/C层状复合陶瓷，其以纸张、含氢硅油、乙二胺为原料，原料中各组分重量百分比为：含氢硅油25~38%，乙二胺29%~41%，纸张30~40%，纸张叠层，在含氢硅油和乙二胺反应形成的Si-O-N-C有机聚合物中反复浸渍，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；层状复合预制体经烧结得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。本发明得到的层状复合陶瓷在1200~1750℃之间以非晶态为主，密度为2.0~2.1g/cm³，抗弯强度为100~330Mpa，断裂韧性为2.09~2.11MPa·m^1/2，维氏硬度为0.5~6.4Gpa，陶瓷的产出率达87~90%。

实施例1：一种SiOC/C层状复合陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：a、按重量百分比1:1~2:3取含氢硅油和乙二胺进行混合，在温度为0~100℃的条件下不断搅拌2~24小时，反应形成Si-O-N-C有机聚合物；b、按重量百分比取Si-O-N-C有机聚合物60~70%，纸张30~40%，进行反复浸渍，具体方法是将100~400层的纸张在Si-O-N-C有机聚合物中浸渍10-30分钟，取出在温度80-120℃下烘干，如此反复浸渍多次，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；c、将层状复合预制体装在热压或气压烧结炉中，炉膛内抽真空，开始加热至1200℃，然后通入氮气，并始终保持1个大气压的氮气，升温至1400℃保温1小时，然后继续升温至1600~1750℃之间，保温1~2小时，烧结后得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。

陶瓷产出率为88%，密度为2.1g/cm³，抗弯强度为329MPa，断裂韧性为2.1MPa·m^1/2,维氏硬度为6.4Gpa。

实施例2：本实施例与实施例1的不同点是，它在b、c步骤之间还增加bˊ步骤：其是将Si-O-N-C/纸张层状复合预制体装在管式气氛保护炉中，在温度为20~1200℃之间通入流量为200~500ml/min的氮气，升温速度控制在0.1~10℃/min，反应6~10小时，对Si-O-N-C/纸张层状复合预制体进行裂解，得到裂解后的Si-O-N-C/纸张层状复合预制体。

实施例3：一种SiOC/C层状复合陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：a、将含氢硅油169ml、乙二胺270ml混合，使用四氢呋喃500ml和正己烷250ml作为溶剂，在常温下不断搅拌8~12小时，反应形成Si-O-N-C有机聚合物；b、按重量百分比取Si-O-N-C有机聚合物440g，纸张207g进行反复浸渍，具体方法是将320层重量为207g的报纸在Si-O-N-C有机聚合物中浸渍30分钟，取出在温度100℃下烘干，如此反复浸渍多次，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；bˊ、将Si-O-N-C/纸张层状复合预制体装在管式气氛保护炉中，在温度为20~1200℃之间通入流量为500ml/min的氮气，升温速度控制在5℃/min，在温度达到1200℃时保温1小时，对Si-O-N-C/纸张层状复合预制体进行裂解，得到裂解后的Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；c、将层状复合预制体装在热压或气压烧结炉中，炉膛内抽真空，开始加热，升温速度控制在5℃/min，加热至1200℃后通入氮气，并始终保持1个大气压的氮气，然后以升温速度5℃/min升温至1400℃保温1小时，然后继续以升温速度5℃/min升温至1700℃之间，保温1小时，烧结后得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。

实施例4：一种SiOC/C层状复合陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：a、将含氢硅油198ml、乙二胺200ml混合，使用四氢呋喃500ml和正己烷250ml作为溶剂，在常温下不断搅拌8~12小时，反应形成Si-O-N-C有机聚合物；b、按重量百分比取Si-O-N-C有机聚合物400g，纸张200g进行反复浸渍，具体方法是将320层重量为200g的报纸在Si-O-N-C有机聚合物中浸渍20分钟，取出在温度110℃下烘干，如此反复浸渍多次，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；c、将层状复合预制体装在热压或气压烧结炉中，炉膛内抽真空，开始加热，升温速度控制在5℃/min，加热至1200℃后通入氮气，并始终保持1个大气压的氮气，然后以升温速度5℃/min升温至1400℃保温1小时，然后继续以升温速度5℃/min升温至1750℃之间，保温1小时，烧结后得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。

陶瓷产出率为87%，密度为2.05g/cm³，抗弯强度为255MPa，断裂韧性为2.11MPa·m^1/2,维氏硬度为3.4Gpa。

实施例5：一种SiOC/C层状复合陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：a、将含氢硅油169ml、乙二胺200ml混合，使用四氢呋喃500ml和正己烷250ml作为溶剂，在常温下不断搅拌8~12小时，反应形成Si-O-N-C有机聚合物；b、按重量百分比取Si-O-N-C有机聚合物360g，纸张180g进行反复浸渍，具体方法是将300层重量为180g的报纸在Si-O-N-C有机聚合物中浸渍30分钟，取出在温度120℃下烘干，如此反复浸渍多次，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；bˊ、将Si-O-N-C/纸张层状复合预制体装在管式气氛保护炉中，在温度为20~1000℃之间通入流量为500ml/min的氮气，升温速度控制在5℃/min，在温度达到1000℃时保温1小时，对Si-O-N-C/纸张层状复合预制体进行裂解，得到裂解后的Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；c、将层状复合预制体装在热压或气压烧结炉中，炉膛内抽真空，开始加热，升温速度控制在5℃/min，加热至1200℃后通入氮气，并始终保持1个大气压的氮气，然后以升温速度5℃/min升温至1400℃保温1小时，然后继续以升温速度5℃/min升温至1650℃之间，保温1小时，烧结后得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。

陶瓷产出率为87%，密度为2.0g/cm³，抗弯强度为245MPa，断裂韧性为2.1MPa·m^1/2,维氏硬度为2.4Gpa。

Claims

1.一种SiOC/C层状复合陶瓷，其特征是：其以纸张、含氢硅油、乙二胺为原料，原料中各组分重量百分比为：含氢硅油25~38%，乙二胺29%~41%，纸张30~40%，纸张叠层，在含氢硅油和乙二胺反应形成的Si-O-N-C有机聚合物中反复浸渍，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；层状复合预制体经烧结得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。

2.根据权利要求1所述SiOC/C层状复合陶瓷，其特征是：所述纸张为报纸或滤纸或宣纸或账本纸。

3.根据权利要求1所述SiOC/C层状复合陶瓷，其特征是：所述纸张叠层为100-400层。

4.一种权利要求1所述SiOC/C层状复合陶瓷的制备方法，其特征是：其包括以下步骤：a、按重量百分比1:1~2:3取含氢硅油和乙二胺进行混合，在温度为0~100℃的条件下不断搅拌2~24小时，反应形成Si-O-N-C有机聚合物；b、按重量百分比取Si-O-N-C有机聚合物60~70%，纸张30~40%，进行反复浸渍，具体方法是将100~400层的纸张在Si-O-N-C有机聚合物中浸渍10-30分钟，取出在温度80-120℃下烘干，如此反复浸渍多次，得到Si-O-N-C/纸张层状复合预制体；c、将层状复合预制体装在热压或气压烧结炉中，炉膛内抽真空，开始加热至1200℃，然后通入氮气，并始终保持1个大气压的氮气，升温至1400℃保温1小时，然后继续升温至1600~1750℃之间，保温1~2小时，烧结后得到致密的SiOC/C层状复合陶瓷。

5.根据权利要求4所述SiOC/C层状复合陶瓷的制备方法，其特征是：在b、c步骤之间还包括bˊ步骤：其是将Si-O-N-C/纸张层状复合预制体装在管式气氛保护炉中，在温度为20~1200℃之间通入流量为200~500ml/min的氮气，升温速度控制在0.1~10℃/min，反应6~10小时，对Si-O-N-C/纸张层状复合预制体进行裂解，得到裂解后的Si-O-N-C/纸张层状复合预制体。