CN101550012A - SiOCN陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

SiOCN陶瓷的制备方法，它属于陶瓷制备领域。本发明解决了现有SiOCN材料的制备方法存在的成分不易控、制备工艺复杂及成本高问题。本发明方法：一、含硅氢键的化合物与烯丙胺混合，再加入铂催化剂混合均匀得到混合物；二、制备SiOCN先驱体；三、经过裂解即制备得到SiOCN陶瓷。本发明的制备方法成本低，制备得到的SiOCN陶瓷高温性能好，可在1400℃以上的条件下使用，应用范围广。

Description

SiOCN陶瓷的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷制备领域，具体涉及一种SiOCN陶瓷的制备方法。
背景技术
当石英玻璃体系中的二价O被四价C或三价N替代时，其分子结构更加稳定，材料的高温性能和力学性能将会得到改善。但是通过传统的高温烧结方法很难使C或N连接到Si-O体系中，而通过先驱体转化法在1000℃左右就能实现。通过对先驱体法制备的Si-O-C和Si-C-N体系材料的大量研究发现，这些材料表现出优异的力学、化学、高温性能。SiOCN体系材料由于结合这两类材料的优点而成为一个新兴的研究热点。现有报道中合成SiOCN体系材料多采用聚硅氮烷经氧化处理得到，这种方法很难控制引入的O含量，同时容易造成材料的分相，而影响SiOCN材料的性能，该法成分不易控，制备工艺复杂；另外一种合成SiOCN材料的方法是利用小分子的硅烷和氨(胺)类原料通过CVD法制备，但是这种方法多用于制备薄膜，且制作过程需要在高温高压下进行，该法成本较高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有SiOCN材料的制备方法存在的成分不易控、制备工艺复杂及成本高问题，而提供了一种SiOCN陶瓷的制备方法。
本发明SiOCN陶瓷的制备方法按照以下步骤进行：一、含硅氢键的化合物与烯丙胺按照Si-H/C＝C的摩尔比为0.5～16的比例混合，再加入铂催化剂混合均匀得到混合物，其中铂催化剂的用量是Pt元素质量为混合物质量的0.0005％～0.020％；二、将步骤一中的混合物在100℃～200℃的条件下保温3～15小时得到SiOCN先驱体；三、SiOCN先驱体在气氛保护条件下在管式炉中以1～20℃/min的加热速度升温到900～1400℃并保温0.5～2h，然后随炉冷却，即制备得到SiOCN陶瓷。
本发明SiOCN陶瓷的制备方法中含硅氢键的化合物为含氢硅氧烷或含氢聚硅氧烷，其中含氢硅氧烷为四甲基环四硅氧烷或四甲基二氢硅氧烷；含氢聚硅氧烷为含氢甲基硅油或聚甲基氢硅氧烷。
本发明方法制备SiOCN陶瓷通过对原料配比的调节实现对材料成分的控制，所得先驱体成分均一，且所用的含氢硅氧烷、含氢聚硅氧烷和烯丙胺为商品化产品，成本低廉，本发明方法制备SiOCN陶瓷的成本低，本发明的制备不需要在高温高压下进行，耗能低，且本发明制备方法中成分易控，制备工艺简单；本发明方法制备过程中SiOCN先驱体通过差热-热重分析法进行检测，检测结果显示SiOCN先驱体在1000℃条件下裂解的陶瓷产率在60～95％之间，陶瓷产率高，可提高SiOCN陶瓷的性能；本发明制备得到的SiOCN陶瓷在1500℃的惰性气体环境下热处理2h没有质量变化，而在1600℃的惰性气体环境下热处理2h，其质量损失仅为1％～2％，本发明制备得到的SiOCN陶瓷高温性能好，可在1400℃以上的条件下使用，应用范围广。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式SiOCN陶瓷的制备方法按照以下步骤进行：一、含硅氢键的化合物与烯丙胺按照Si-H/C＝C的摩尔比为0.5～16的比例混合，再加入铂催化剂混合均匀得到混合物，其中铂催化剂的用量是Pt元素质量为混合物质量的0.0005％～0.020％；二、将步骤一中的混合物在100℃～200℃的条件下保温3～15小时得到SiOCN先驱体；三、SiOCN先驱体在气氛保护条件下在管式炉中以1～20℃/min的加热速度升温到900～1400℃并保温0.5～2h，然后随炉冷却，即制备得到SiOCN陶瓷。
本实施方式步骤一中Si-H为含硅氢键的化合物的活性基团；烯丙胺的分子式为CH2＝CHCH2NH2。
本实施方式制备得到的SiOCN陶瓷高温稳定性优越，可在1400℃以上的条件下使用。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中含硅氢键的化合物与烯丙胺按照Si-H/C＝C的摩尔比为1～13的范围混合。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是含氢硅氧烷为四甲基环四硅氧烷或四甲基二氢硅氧烷。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是含氢聚硅氧烷为含氢甲基硅油或聚甲基氢硅氧烷。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中的铂催化剂的制备方法为：将1g氯铂酸溶于100mL经钠干燥的四氢呋喃溶液中即制备得到铂催化剂。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、二或五不同的是步骤一中的铂催化剂的用量是混合物质量的0.001％～0.015％。其他步骤及参数与具体实施方式一、二或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤二中将混合物置于110℃～170℃的条件下保温5～12小时。其他步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤二中将混合物置于120℃的条件下保温8小时。其他步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一、二、五或七不同的是步骤三中在气氛保护条件下的保护气氛为氮气或氩气。其他步骤及参数与具体实施方式一、二、五或七相同。
具体实施方式十：本实施方式本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤三中在1000～1300℃条件下裂解0.9～1.1h。其他步骤及参数与具体实施方式九相同。
具体实施方式十一：本实施方式本实施方式与具体实施方式十不同的是步骤三中在1200℃条件下裂解1h。其他步骤及参数与具体实施方式十相同。
具体实施方式十二、本实施方式SiOCN陶瓷的制备方法按照以下步骤进行：一、含硅氢键的化合物与烯丙胺按照Si-H/C＝C的摩尔比为3～12的比例混合，再加入铂催化剂混合均匀得到混合物，其中铂催化剂的用量是Pt元素质量为混合物质量的0.001％～0.015％；二、将步骤一中的混合物在120℃～180℃的条件下保温5～12小时得到SiOCN先驱体；三、SiOCN先驱体在气氛保护条件下在管式炉中以1～20℃/min的加热速度升温到1000～1300℃并保温1～1.5h，然后随炉冷却，即制备得到SiOCN陶瓷。
本实施方式步骤一中Si-H为含硅氢键的化合物的活性基团；烯丙胺的分子式为CH2＝CHCH2NH2。
本实施方式含硅氢键的化合物为含氢硅氧烷或含氢聚硅氧烷，其中含氢硅氧烷为四甲基环四硅氧烷或四甲基二氢硅氧烷；含氢聚硅氧烷为含氢甲基硅油或聚甲基氢硅氧烷。
本实施方式制备得到的SiOCN陶瓷高温性能好，可在1400℃以上的条件下使用。
具体实施方式十三：本实施方式SiOCN陶瓷的制备方法按照以下步骤进行：一、含硅氢键的化合物与烯丙胺按照Si-H/C＝C的摩尔比为4的比例混合，再加入铂催化剂混合均匀得到混合物，其中铂催化剂的用量是Pt元素质量为混合物质量的0.015％；二、将步骤一中的混合物在120℃的条件下保温8小时得到SiOCN先驱体；三、SiOCN先驱体在气氛保护条件下在管式炉中以8℃/min的加热速度升温到1100℃并保温1h，然后随炉冷却，即制备得到SiOCN陶瓷。
本实施方式步骤一中的含硅氢键的化合物为含氢硅氧烷中的聚甲基氢硅氧烷。
本实施方式步骤二中制备得到的SiOCN先驱体通过差热-热重分析法进行检测，结果显示SiOCN先驱体在1000℃裂解的陶瓷产率为90％，陶瓷产率高，可提高SiOCN陶瓷的性能。
本实施方式制备得到的SiOCN陶瓷在1500℃的惰性气体环境下热处理2h没有质量变化，而在1600℃的惰性气体环境下热处理2h，其质量损失仅为1％～2％，本实施方式制备得到的SiOCN陶瓷高温性能好，可在1400℃以上的条件下使用，应用范围广。

Claims (10)

1、SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于SiOCN陶瓷的制备方法按照以下步骤进行：一、含硅氢键的化合物与烯丙胺按照Si-H/C＝C的摩尔比为0.5～16的比例混合，再加入铂催化剂混合均匀得到混合物，其中铂催化剂的用量是Pt元素质量为混合物质量的0.0005％～0.020％，含硅氢键的化合物为含氢硅氧烷或含氢聚硅氧烷；二、将步骤一中的混合物在100℃～200℃的条件下保温3～15小时得到SiOCN先驱体；三、SiOCN先驱体在气氛保护条件下在管式炉中以1～20℃/min的加热速度升温到900～1400℃并保温0.5～2h，然后随炉冷却，即制备得到SiOCN陶瓷。
2、根据权利要求1所述的SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于步骤一中含硅氢键的化合物与烯丙胺按照Si-H/C＝C的摩尔比为1～13的范围混合。
3、根据权利要求1或2所述的SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于含氢硅氧烷为四甲基环四硅氧烷或四甲基二氢硅氧烷。
4、根据权利要求1或2所述的SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于含氢聚硅氧烷为含氢甲基硅油或聚甲基氢硅氧烷。
5、根据权利要求3所述的SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于步骤一中的铂催化剂的制备方法为：将1g氯铂酸溶于100mL经钠干燥的四氢呋喃溶液中即制备得到铂催化剂。
6、根据权利要求1、2或5所述的SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于步骤一中的铂催化剂的用量是混合物质量的0.001％～0.015％。
7、根据权利要求6所述的SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于步骤二中将混合物置于110℃～170℃的条件下保温5～12小时。
8、根据权利要求6所述的SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于步骤二中将混合物置于120℃的条件下保温8小时。
9、根据权利要求1、2、5或8所述的SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于步骤三中在气氛保护条件下的保护气氛为氮气或氩气。
10、根据权利要求9所述的SiOCN陶瓷的制备方法，其特征在于步骤三中在1000～1300℃条件下保温0.9～1.1h。
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