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先驱体法制备氮化硼陶瓷材料的研究进展

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・ 142 ・ 材料导报A:综述篇 2013年5月(上)第27卷第5期 先驱体法制备氮化硼陶瓷材料的研究进展 丁 杨,曹峰,陈 莉 (国防科学技术大学新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,长沙410073) 摘要 氮化硼陶瓷是一种性能优异并有很大发展潜力的新型陶瓷材料,但是传统的高温合成法无法制备高质 量的BN纤维、薄膜、泡沫、涂层或复杂形状的复舍材料,只能通过先驱体法实现。简单介绍了先驱体陶瓷技术,重点 综述了先驱体法制备氮化硼陶瓷纤维和氮化硼陶瓷复合材料的研究进展,并对先驱体法制备氮化硼陶瓷的发展趋势 做了展望。 关键词 氮化硼陶瓷先驱体陶瓷技术氮化硼纤维复合材料 中图分类号:TB332 文献标识码:A Research Progress of Polymer Derived Boron Nitride Ceramic Materials DING Yang,CAO Feng,CHEN Li (Science and Technology on Advanced Ceramic Fibers and Composites Laboratory,National University of Defense Technology,Changsha 410073) Abstract Boron nitride ceramic is a new type of ceramic material,which has excellent properties and unlimited development potentia1.But the traditional method of high-temperature synthesis can not prepare high-quality BN fi— bers,films,foams,coatings and composites.While polymer derived boron nitride ceramics can realize it.The poly— mer derived nitride ceramics are briefly described,polymer derived BN ceramic fibers and BN ceramic composite mate— rials are emphatically summarized. Key words boron nitride ceramics,polymer derived nitride ceramics,boron nitride fibers,composites 氮化硼陶瓷(BN)是一种性能优异并有很大发展潜力的 新型陶瓷材料,目前普遍认为主要有六方氮化硼(h-BN)、纤 锌矿氮化硼(w—BN)、三方氮化硼(r-BN)、立方氮化硼(c-BN) 和斜方氮化硼(o-BN)5种异构体。其中最常见的是类似石 大形状构件,导致目前单相BN陶瓷的应用价值并不大。因 此本文主要综述了先驱体法制备氮化硼陶瓷纤维和氮化硼 陶瓷复合材料的研究进展。 墨的h-BN和类似金刚石的c-BN。BN的晶体结构和R_N键 特性决定了BN具有许多优良的物理和化学特性:低密度、 1 先驱体陶瓷技术简介 先驱体陶瓷技术是以有机或无机化合物为先驱体,通过 交联裂解或气相热解等无机化过程转变为陶瓷的一种陶瓷 材料制备技术,从工艺上可以分为化学气相沉积(CVD)或化 学气相渗透(CVI)工艺、先驱体浸渍裂解工艺(PIP)。与传统 的陶瓷制备工艺相比,先驱体转化法具有诸多的优势,包括: (1)先驱体分子的可设计性,可通过分子设计对先驱体的组 成、结构进行设计和优化,进而实现对最终陶瓷材料的组成、 结构与性能的设计与控制;(2)制备温度低,在较低温度 (1000 ̄1400℃)下可实现裂解陶瓷化,从而避免了高温烧结 对增强体的损伤;(3)不需要添加烧结助剂,可以制备高纯的 耐高温、抗热振、抗氧化、高热导率、高电阻率、高电场击穿强 度、优良的室温和高温介电性能、耐化学腐蚀、无毒色白、自 润滑、加工性好、与多种金属不浸润等。这些优异的性质使 BN陶瓷材料在航空航天、冶金、机械和电子等高科技领域具 有十分广阔的应用前景_1 ]。 随着陶瓷(尤其是陶瓷基复合材料)和电子工业的发展, 要求制备高质量的BN纤维、薄膜、泡沫、涂层或复杂形状的 复合材料,这是传统的高温合成法_4]无法实现的,只能通过 先驱体法制备。在过去的几十年中,许多学者通过一些有代 表性的硼氮化合物的热分解制备了BN陶瓷_5 ]。对此发达 国家一直竞相研究,我国学者_7 也在20世纪9O年代初期 开始进行相应的研究,并取得了较大进展。但是由于单相 BN陶瓷强度、硬度、弹性模量都偏低,还存在热导率高,抗雨 蚀性不足等缺点l_1 ,加上目前由于技术上的原因难以制成较 陶瓷材料;(4)良好的工艺性。目前先驱体陶瓷技术已成功 应用于制备纤维、涂层、块状陶瓷、陶瓷基复合材料、纳米粉 体、纳米管等各种形态的陶瓷。国防科学技术大学是国内最 早开展先驱体陶瓷技术研究的单位,在国内外具有鲜明特色 和优势,为我国武器现代化作出了重要贡献。 *国家自然科学基 ̄:(90916019);湖南省高校科技创新团队支持计划;陶瓷纤维与复合材料国防科学技术大学创新群体资助 丁杨:男,1988年生,硕士生,主要从事陶瓷基复合材料研究 E-mail:huyang509@sina.corn生导师,主要从事陶瓷先驱体化学及陶瓷基复合材料研究 E-mail:fcao@nudt.edu.cn 曹峰:男,1972年生,副研究员,硕士 先驱体法制备氮化硼陶瓷材料的研究进展/丁杨等 ・143・ 2氮化硼陶瓷纤维 先驱体转化法制备BN陶瓷纤维主要有两种方法:一种 是无机先驱体法,利用硼酸为原料制备B 03先驱体纤维,该 纤维在NH。(高于1000℃)及 (低于2000℃)气氛下高温 转化为BN纤维;另一种是有机先驱体法,先通过有机聚合 物(主要为硼一氮聚合物和硼一氧聚合物)在气氛保护下进行纺 图1硼氦聚合物先驱备氮化硼纤维的工艺流程图 Fig.1 Process flow diagram for preparing BN fiber from boron-nitrogen polymer 丝,再经过高温氮化处理获得BN纤维[1 。 2.1无机先驱体法 1965年Economy等[1 妇首次利用B20。纤维为原料成 功研制了BN纤维,他们将采用熔融纺丝法得到的直径约1O 一Paciorek等口。 叼采用双(三甲基硅)胺氯硼烷与液氨在 78℃反应合成出单体,聚合成聚(三胺基)一N_(三甲基硅) 硼烷聚合物,抽丝后于970℃惰性气氛下热解,最终得到的 BN纤维直径约为20 m,拉伸强度达到250 MPa。 Wideman T等l_2o]将NaBH 与(NH4)2SG在真空环境 m的B。03纤维在NH。气氛中进行氮化反应,最后在2000 ℃的高温下烧结得到了具有定向微晶的h_BN纤维,之后还 研制了高模量的BN纤维。1976年山东工业陶瓷研究设计 院l_l。 采用B2 无机纤维为前驱体分别制备出定长和连续的 纤维,纤维的直径在4~6 m,抗张强度在1.0 GPa左右,其 与Economy等制备的连续BN纤维的性能对比如表1所示。 表1先驱体法制备氮化硼纤维性能对I;B E” Table l Performance comparison of BN fiber /高\ prepared from precursorc 。 ] 中于一196℃反应制得聚硼烷,然后与二乙胺、二苯胺或六甲 基二硅烷反应,获得可纺性良好的聚合物,经熔融纺丝及 1000℃氨气保护下交联和热处理,获得直径为30肚m、拉伸 强度为180 MPa、弹性模量为14 GPa的BN纤维。 Okana Y等r2 将三氯化硼与乙腈在低温(干冰丙酮)下 反应制得硼的氯化氮化物,再进一步和三氯化硼与氯化铵的 混合物在110℃反应,得到BN先驱体。先驱体溶解于DMF 后进行溶纺成丝,拉伸条件下再分别经过氮气和氨气的高温 热处理,获得拉伸强度高达1400 MPa的BN纤维。 目前氮化硼研制比较出色的法国Bernard s[2 ]小组采用 BC1。与NH Cl在低温下制得含环状三氯硼氮烷,再与二甲 胺反应,制备出2,4-双(单甲基胺)一6一单甲基胺硼烷单体,然 后在惰性气体保护下聚合,熔融纺丝,经氨气和氮气的高温 处理,得到高性能的BN纤维,其拉伸强度达到i000 MPa,弹 性模量可以达到100 ̄250 GPa。 硼氮聚合物先驱体法合成原料昂贵、产率低、工艺条件 无机先驱体转化法制备BN纤维成本低廉,并且适合工 业化生产,但是存在很多缺点和技术难点,如B。03前驱体纤 维是无定形结构,在氨气气氛中反应生成的BN纤维,会导 致纤维取向困难致使纤维性能下降;B。O。先驱体纤维的结 苛刻,纤维造价昂贵。 2.2.2硼氧聚合物先驱体法 为了克服非氧前驱体合成工艺要求严格、产率相对较低 的缺点,Venkatasubramanian NE 3_在1 99 1年报道了溶胶一凝 胶法制备BN纤维的工艺,工艺流程如图2所示。 构是晶体紧密堆积的结构,在氮化过程中存在中心的B O。 氮化困难,最终形成的氮化硼纤维的芯部存有部分B2O。,而 B:(]3极易吸潮,导致产品产生缺陷,致使纤维性能降低。 2.2有机先驱体法 1976年日本学者I.Taniguchic” 最早报道了利用N_苯 基一R_氨基硼吖嗪作为先驱体热解制备出拉伸强度较好的 BN纤维,但是其结果不能被重复[1 。wade_1 ]在1O多年后 制备了一种有机BN先驱体,并称该先驱体可熔融纺丝。有 机先驱体转化法的关键在于先驱体的合成。总的说来,氮化 硼有机先驱体分为两大类:第一类为硼氮聚合物先驱体,第 二类为硼氧聚合物先驱体。近1O年来,国外学者围绕有机 先驱体的制备展开了探索,取得了很大的进展。 图2溶胶一凝胶法制备BN纤维的工艺 Fig.2 Preparation process for BN fiber by sobgel method 溶胶~凝胶法制备的氮化硼纤维具有多孔状的结构,此特 点可以促进氮化时氨气的扩散,使纤维内部得到更好的氮 化,克服了无机前驱体纤维氮化过程中存在氮化不完全的问 题,产率高,原材料便宜。 国内对有机先驱体转化法制备BN纤维的研究明显落 2.2.1硼氮聚合物先驱体法 硼氮聚合物先驱备氮化硼纤维的工艺流程见图1。 ・144・ 材料导报A:综述篇 2013年5月(上)第27卷第5期 后于国外。国防科学技术大学的邓橙等[2 利用自己设计 罩等航空航天领域发展 。 叫。为了使先驱体转化BN陶瓷 合成的聚硼氮烷(Po1yboronitride,PBN),制备出直径为1O 技术得到更好的应用与发展,还需要做好以下几方面的性能 肚m、拉伸强度在0.6 GPa左右、介电常数为2.66、介电损耗 优化: . 角正切为0.0012(10 GHz)的BN纤维。李文华等l-2。I29_以三 (1)多功能化。制备出透波、超细隔热连续BN陶瓷纤 氯化硼、六甲基二硅氮烷为起始原料,合成了一种含硅聚硼 维;研制防热/隔热/透波一体化材料与结构。 氮烷先驱体,在190℃的N 气氛中可纺丝得到20~25 m (2)低成本化。PIP法是制备BN复合材料的有效方法, 的有机纤维,最后制得直径为11 Fm,强度为0.45 GPa的纤 然而有机聚合物先驱体一般价格昂贵,并且制备工艺对设备 维。 要求很高,成本一直居高不下。如何根据反应机理进一步优 3氮化硼陶瓷复合材料 化工艺、提高产物性能和产率是亟待解决的问题[41-43]。 (3)工程化。提高先驱体转化法制备的氮化硼纤维及其 利用BN的分解温度高、抗热震性能好、介电性能优异 复合材料的实用性和可靠性,实现工业化生产,掌握精密加 等特点,可制成综合性能优异的复相陶瓷、颗粒增强陶瓷基 工技术和无损检测技术[4 。 复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料等。先驱体法制备的氮 化硼复合材料主要为纤维增强的复合材料。 参考文献 美国Illinois大学的J.Economy等 。 系统开展了环 1李俊生,张长瑞,李斌.氮化硼陶瓷先驱体研究进展EJ].硅酸 硼氮烷聚合物先驱体转化制备BN基复合材料的研究工作, 盐通报,2011,30(3):568 以Nicalon(SiC)纤维、FP(A1203)纤维、Sumica(Al203一SiO2) 2李端,张长瑞,李斌,等.氮化硼透波材料的研究进展与展望 纤维、Nextel 440(A12O。一SiO2)纤维等多种陶瓷纤维为增强 EJ].硅酸盐通报,2010,29(5):1072 备了氮化硼基复合材料。其中,Nicalon/BN、Sumica/ 3乐,田贵山,纪娟,等.利用真空氮化炉制备六方氮化硼 BN复合材料具有较好的韧性,且弯曲强度分别高达420 粉体工艺研究与表征I-J].硅酸盐通报,2010,29(2):444 MPa和380 MPa。Thomas M.Place等[ 。 首先利用硼酸浸 4葛雷,杨建,丘泰.六方氮化硼的制备方法研究进展I-J].电子 渍烧成法制备了性能优异的三维正交BN纤维织物增强BN 元件与材料,2008,27(6):23 基复合材料,该材料的烧蚀性能可以与碳/酚醛复合材料相 5 Economy J,Erson R.A new route to boron nitride[J].Inorg 媲美,经1800℃热压后,材料密度提高到1.5~1.6 g/cm。, Chem,1966,5(6):989 6 Lorrette C,Weisbecker P,Jacques S,et a1.Deposition and 弯曲强度为40 ̄69 MPa,介电常数为2.86~3.19,损耗角正 characterizatiOn of he BN coating on carbon fibres using 切为0.0006 ̄0.003(25~1000℃,9.375 GHz)。然后用二 tris一(dimethylamino)borane precursor,lJ].J Eur Ceram Soc, 氧化硅先驱体浸渍3D BNf/BN复合材料,经烧结、热压后制 2007,27(7):2737 得BNf/BN-SiO2复合材料,基体组成为(2.4 ~17.9 ) 7李凯,廉刚,姜海辉,等.用水热方法合成氮化硼过程中反应 SiO 、(3.9 ~15 )BN,密度可以达到l_6 g/cm。,介电常数 原料种类的影响[J].功能材料,2007,38(10):1678 为3.2O~3.24,损耗角的正切为0.0009~0.001(25~1000 8邓橙,宋永才,王应德,等.氮化硼纤维先驱体的制备与表征 ℃,9.375 GHz)。 [J].高等学校化学学报,2010(3):623 国防科学技术大学在国内率先以聚硼硅氮烷(Polybo— 9向阳春,陈朝辉,曾竞成.氮化硼陶瓷纤维的合成研究进展 rosilazane,PBsZ)为先驱体,采用PIP工艺,制备了石英纤维 I-j].材料导报,1998,12(2):66 增强Si。N 和BN(Si0。f/氮化物)复合材料,其显示出良好的 10 Ooi N,Rajan V,Gottlieb J,et a1.Structural properties of 热、力、电综合性能。李斌等[3。 利用自己设计与合成的有机 hexagonal boron nitride[J].Modell Simul Mater Sci Eng, 先驱体,采用PIP工艺,制备了三维石英纤维编织物增强氮 2006,14:515 化物透波复合材料(3D sFRN),基体为含有少量氮化硅的氮 11张铭霞,程之强,任卫,等.前驱体法制备氮化硼纤维的研究 化硼,该材料的介电性能优异且较稳定,相对介电常数为 进展I-J].现代技术陶瓷,2004,25(1):21 3.31~3.34,介电损耗角正切为(3.8~4.9)×10~。李俊 12 Seghi S,Lee J,Economy J.High density carbon fiber/bo— 生E。 等以硼吖嗪为先驱体,分别以2.5D碳纤维编织件和针 ron nitride matrix composites:Fabrication of composites 刺SiC纤维布为增强体,采用PIP工艺制备了Cf/BN复合材 with exceptional wear resistancel,J].Carbon,2005,43(10): 2035 料和siCf/BN复合材料,前者的弯曲强度、模量分别为 13 Gervais C,Framery E,Duriez C,et a1.1ib and 15n solid 153.1 MPa、57.4 GPa,后者的弯曲强度和模量分别为166.4 state investigation of a boron nitride preceramic polymer pre— MPa和53.8 GPa。 pared by ammonolysis of borazineEJ].J Eur Ceram Soc, 4展望 2005,25(2—3):129 14 Cofer C G,Economy J.Oxidative and hydrolytic stability of 先驱体陶瓷技术以其独特的优势和特点在BN陶瓷及 boron nitride—A new approach to improving the oxidation 其复合材料的制备中占据极其重要的位置,未来这一技术将 resistance of carbonaceous structuresI-J].Carbon,1995,33 重点向高性能发动机、高效热防护系统以及耐高温透波天线 (4):389 先驱体法制备氮化硼陶瓷材料的研究进展/丁 杨等 15高庆文,张清文,童申勇,等.氮化硼纤维制备工艺及其设备: 中国,1059507A[P].1992—03—18 16 Taniguchi I,Takeshirodai S O,Yoshiharu K,et a1.Process of ・ 145 ・ 29李文华,王军,谢征芳,等.含硅聚硼氮烷裂解转化制备氮 化硼陶瓷纤维[J].化学学报,2012,70(1):99 30 Kim D P,Cofer C G,Economy J.Fabrication and properties preparing organo boron nitride polymer:US,4731437 I-P]. 1988—03—15 of ceramic composites with a boron nitride matrix[J].J Am Ceram Soc,1995,78(6):1546 1 7 Wade B Polymeric materials science and engineering division 31 Cofer C G,Saak A W,Economy J.Carbon/boron nitride [C]//ACS Spring National Meeting.Atlanta,1991 18 Reischer F,Pippel E,Wohersdorf J,et a1.Carbon fibre- reinforced magnesium:Improvement of bending strength by composites:An alternative to carbon/carbon[J].Ceram Eng Sci Proc,1995,16:663 32 Seghi S,Fabio B,Economy J.Carbon/carbon-boron nitride composites with improved wear resisitance compared to car— nanodesign of boron nitride interlayers[J].Mater Chem Phys,2007,104(1):83 bon/carbon{J I.Carbon,2004,42:3043 33 Cofer C G,Economy J,Xu Y,et a1.Characterization of fiber/ matrix interfaces in composites with a boron nitride matrix 19 Paciorek K J,Kratzer R H,Kimble P F,et a1.Boron-nitro— gen polmerys nitrogen-and oxygen-bridged compounds[J]. Inorg Chem,1988,27:2432 [J].Comps Sci Techn,1996,56(8):967 34 Place T M Properties of BN-3DX,a 3-dimensional rein- 20 Wideman T,Remsen E E,Cortez E,et ak Amone-modified polyborazylenes:Second-generation precursors to boron ni— forced boron nitride composite[C]//Proceedings of the 13th Symposium on Electromagnetic Windows.Atlanta,1 976 trideEJ].Chem Mater,1998,10:412 21 Okana Y,Yamashita H.Boron nitride fiber and process for 35 Place T M.Low loss radar window for reentry vehicle:US, production thereof:US,5780154[P].1998 22 Bernard S,Chassagneux F,Berthet M P,et a1.Structural and 4786548[P].1988—11—22 36李斌.氮化物陶瓷基耐烧蚀、透波复合材料及其天线罩的制 mechanical properties of a high-performance BN fibre[J].J Eur Ceram SOc,2002,22:2047 备与性能研究[D].长沙:国防科学技术大学,2007 37李俊生.硼吖嗪的合成及其转化制备氮化硼研究ED].长沙: 国防科学技术大学,2011 23 Venka tasubranmnian N,Bruce W,Desai P,et a1.Synthesis and characterization of spinnable sol-gel derived polyborates 38李斌,张长瑞,曹峰,等.高超音速导弹天线罩设计与制备中 [J].J Non-Cryst Solids,1991,130:144 24邓橙.氮化硼先驱体一聚硼氮烷的合成及热分解特性研究 的关键问题分析EJ].科技导报,2006,24(8):28 39艾涛,王汝敏.航天透波材料最新研究进展[J].材料导报, 2004,18(11):12 [D].长沙:国防科学技术大学,2009 25 Deng C,Song Y C,Wang Y D,et a1.A facile synthesis of 2.4。6-trichloroborazine from boron trichloride-dimethylsul— 4O杨辉,张铭霞,唐杰,等.防热材料用氮化硼纤维的制备及其 在空间技术领域中的应用[J].硅酸盐通报,2005,24(4):62 41 Gomathi A,Harika M R,Rao C N R.Urea route to coat inorganic nanowires,carbon fibers and nanotubes by boron fide complex and ammonium chloride[J].Chin Chem Lett, 2010,21(2):135 26 Lei Y P,Wang Y D,Song Y C,et a1.Nearly stoichiometric nitride[J].Mater Sci Eng A,2008,476:29 42 Li D F,Huang J L,et a1.Formation of BN films on carbon BN fiber by curing and thermolysis of a novel poly[(alk- ylamino)borazine][J].Ceram Int,2011,37(6):1795 27 Lei Y P,Wang Y D,Song Y C,et a1.Nearly stoichiometric fibers by dip-coating[J].Surf Coat Techn,2002,150:269 43王树彬,邢建申,郑或,等.石英纤维表面氮化硼涂层的制备 及表征EJ].稀有金属材料与工程,2007,36(22):715 44张俊宝,雷廷权,温广武,等.先驱体法合成氮化硼研究进展 [J].材料科学与工艺,2000,8(2):1 BN fiber with low dielectric constant derived from poly-E(al— kylamino)borazine][J].Mater Lett,201l,65(2):157 28李文华,王军,谢征芳,等.新型氮化硼陶瓷纤维先驱 体——含硅聚硼氮烷的合成与表征[J].化学学报,2011,69 (16):1936 \ (责任编辑周媛媛) (上接第141页) 34胡长均,王铀,吴朝军.热喷涂纳米结构热障涂层的最新研 Ti02陶瓷涂层高温摩擦磨损性能研究[c]//第七届全国表 面工程技术学会会议.武汉,2001:94 38赵晓琴,周惠娣,陈建敏.水环境中等离子喷涂纳米/微米 究[J].热加工工艺,2007,36(11):53 35 Wang You,Jiang Stephen,Wang Meidong,et a1.Abrasive wear characteristics of plasma sprayed nanostructured alu— 喂料Alz 03/Ti02涂层的摩擦学行为[J].中国表面工程, 2005,18(5):35 mina-titania coatings【J 1.Wear,2000,237:176 39卢林,马壮,王富耻,等.等离子喷涂纳米和微米Alz 03一 36赵晓琴,安宇龙,陈建敏,等.等离子喷涂Alz0s/Ti02陶 瓷涂层在液态石蜡润滑下的摩擦磨损性能研究[J].摩擦学 学报,2009,29(2):97 Ti02涂层摩擦磨损性能研究[J].北京理工大学学报, 2010,3O(7):878 (责任编辑王朝蓉) 37赵晓琴,安宇龙,陈建敏,等.等离子喷涂纳、微米Alz0s/ 

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