先驅(qū)體轉(zhuǎn)化多孔硅氧碳陶瓷及其復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、多孔陶瓷是材料科學(xué)領(lǐng)域中一類(lèi)倍受關(guān)注的新型材料。由于多孔陶瓷具有良好的耐高溫、抗熱震、高強(qiáng)度、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積等優(yōu)異性能，在過(guò)濾器、熱交換器、催化劑載體、光電器件及傳感器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。與傳統(tǒng)制備方法相比，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化制備多孔陶瓷具有燒結(jié)溫度低、良好的加工性、分子可設(shè)計(jì)性和分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。其中，采用模板法能制備出可設(shè)計(jì)的孔隙度和孔徑分布的多孔陶瓷，且制備工藝簡(jiǎn)單。
　　 本研究以多孔陶瓷的設(shè)計(jì)、制備及性能研究

2、為主旨，通過(guò)改變陶瓷前驅(qū)體及多孔模板類(lèi)型，或加入惰性填料，成功制備了多孔SiOC陶瓷及多孔SiOC/BN復(fù)合材料，所得多孔陶瓷具有可控的開(kāi)口氣孔率和孔徑分布。本論文研究了不同的工藝條件對(duì)所得多孔SiOC陶瓷及其復(fù)合材料的微觀形貌、結(jié)構(gòu)及性能的影響，并分析了多孔結(jié)構(gòu)中納米線的生長(zhǎng)機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:
　　 以聚氨酯海綿為人工模板、有機(jī)硅樹(shù)脂(R9801)為陶瓷前驅(qū)體，浸漬后再燒結(jié)制備了多孔SiOC陶瓷。SiOC陶瓷具有蜂窩狀的

3、多孔形貌，開(kāi)口氣孔率最高達(dá)85％。隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品中SiOC玻璃相產(chǎn)生相分離向Si02、SiC納米晶和SiC納米線轉(zhuǎn)變。當(dāng)燒結(jié)溫度較高或保溫時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，多孔SiOC陶瓷具有較好的氮吸附性能，半導(dǎo)體特性和熱穩(wěn)定性。
　　 以濾紙為生物模板，有機(jī)硅樹(shù)脂為陶瓷前驅(qū)體，熱壓成型后燒結(jié)制備了層狀多孔SiOC陶瓷，樣品保留了濾紙?jiān)械睦w維形貌，開(kāi)口氣孔率最高達(dá)55％。隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品的SiOC玻璃相逐漸向SiC轉(zhuǎn)變。層狀多孔

4、SiOC陶瓷具有宏孔-介孔分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，燒結(jié)溫度的升高使多孔陶瓷的比表面積和孔容都增大，孔徑分布由單峰模式(3-11nm)轉(zhuǎn)為雙峰模式(3-4nm和4-23nm)。同時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，導(dǎo)電性能和熱穩(wěn)定性能都逐漸提高。
　　 采用木粉為天然生物模板，有機(jī)硅樹(shù)脂為陶瓷前驅(qū)體，經(jīng)浸漬、熱壓成型、燒結(jié)后制備了多孔SiOC陶瓷，開(kāi)孔氣孔率最高達(dá)54％。隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品的比表面積先增大后減小，而孔容逐漸增大，孔徑分布由單峰模式

5、(3-4.3nm)轉(zhuǎn)為雙峰模式(3-4.5nm和4.5-60nm)。當(dāng)燒結(jié)溫度為1300℃時(shí)，隨著木粉含量的增大，多孔SiOC陶瓷的比表面積逐漸降低，孔體積也減小。隨著燒結(jié)溫度的升高或木粉含量的提高，多孔SiOC陶瓷的導(dǎo)電性能和熱穩(wěn)定性能都提高。
　　 以含氫硅油為前驅(qū)體，二乙烯基苯為交聯(lián)劑，氯鉑酸為催化劑，合成了固體聚硅氧烷，再將木粉與固體聚硅氧烷復(fù)合后燒結(jié)制備了多孔SiOC陶瓷。多孔SiOC陶瓷的開(kāi)口氣孔率最高為59％。隨著

6、燒結(jié)溫度的升高，多孔陶瓷中形成了β-SiC及較多含量的Si02。樣品的比表面積由6.1m2/g升高至180.5m2/g，孔容也逐漸增大，孔徑分布由單峰模式(3-5nm)轉(zhuǎn)為多峰模式(3-4nm、7-9.5nm和10-12nm)。多孔陶瓷的摩擦學(xué)性能與材料本身的氣孔率和微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在摩擦過(guò)程中，低溫下制備的多孔陶瓷的表面較易形成潤(rùn)滑膜，摩擦學(xué)性能較好。
　　 以BN為惰性填料，與木粉和聚硅氧烷混合后熱壓成型，再高溫?zé)Y(jié)制備了

7、多孔SiOC/BN復(fù)合陶瓷，開(kāi)口氣孔率最高達(dá)52％。隨著燒結(jié)溫度的升高，SiC含量逐漸增多;樣品的比表面積和孔容都逐漸增大，比表面積最高達(dá)81.2m2/g，孔徑分布由單峰模式(3-4.5nm)轉(zhuǎn)為雙峰模式(2.6-4nm和10.5-25nm)。BN作為良好的潤(rùn)滑劑，加速了表面潤(rùn)滑膜的形成，使多孔陶瓷表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能。多孔SiOC陶瓷和SiOC/BN陶瓷的摩擦磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損。
　　 在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，以不同種類(lèi)

8、的模板和陶瓷前驅(qū)體制備的多孔陶瓷中都能生成納米線。以海綿為模板，多孔SiOC陶瓷的孔洞中生成了竹節(jié)狀和鏈狀SiC納米線。以濾紙為模板，層狀多孔SiOC陶瓷的界面通道和孔洞中生長(zhǎng)了SiC/SiO2納米線和SiC納米線。以木粉和有機(jī)硅樹(shù)脂為原料，多孔SiOC陶瓷中生長(zhǎng)了直線狀和念珠狀SiC納米線。同時(shí)，以木粉和固體聚硅氧烷為原料制備的SiOC陶瓷或多孔SiOC/BN陶瓷的孔結(jié)構(gòu)中都生成了直線狀和彎曲狀納米線。所得的納米線的生長(zhǎng)機(jī)理主要為氣-

9、夜-固(VLS)和氣-固(VS)機(jī)制。這些納米線的生成賦予了多孔陶瓷具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)和更良好的性能（如高比表面積）。
　　 本論文以人工模板和天然生物模板制備了具有不同孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷，在微觀結(jié)構(gòu)和性能上都存在明顯差異。以海綿為模板制備的多孔陶瓷可獲得較大尺寸的宏孔(200-300μm)，且能獲得較高的開(kāi)口氣孔率。以濾紙為模板制備的多孔陶瓷具有層狀多孔結(jié)構(gòu)，宏孔尺寸也能達(dá)100μm。以木粉為模板，有機(jī)硅樹(shù)脂為陶瓷前驅(qū)體制備的多孔