前驅(qū)體熱解法及該方法制備Fe改性SiCN陶瓷研究進展

李貴佳　王仙麗　馮玉潤

(1國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局材料工程發(fā)明審查部，北京 100088;

2山東大學材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點實驗室，濟南 250061)

前驅(qū)體熱解法及該方法制備Fe改性SiCN陶瓷研究進展

李貴佳1王仙麗2馮玉潤2

(1國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局材料工程發(fā)明審查部，北京 100088;

2山東大學材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點實驗室，濟南 250061)

摘要:介紹了熱解法制備前驅(qū)體陶瓷材料的工藝特點，綜述了Fe改性SiCN前驅(qū)體陶瓷的研究進展，并對其應用前景進行了展望。

關鍵詞:前驅(qū)體陶瓷；SiCN；Fe改性

前驅(qū)體陶瓷是采用化學方法合成先驅(qū)體低聚物或聚合物，再將合成的有機高分子前驅(qū)體直接熱解而制得陶瓷材料[1]。20世紀70年代中期，德國的Verbeek[2]等和日本的Yajima等[3]先后發(fā)明了利用聚合物前驅(qū)體的熱解合成燒結(jié)非氧化物陶瓷材料的方法，自此該新領域引起人們越來越多的重視[4,5]，其具有傳統(tǒng)陶瓷工藝無法比擬的眾多優(yōu)點[6,7]，無需經(jīng)過傳統(tǒng)陶瓷的制粉、造粒、成型等工序，可直接將液態(tài)有機前驅(qū)體在模具中經(jīng)光固化或熱固化成型后，熱解燒結(jié)得到，有利于制備形狀復雜的器件、薄膜、纖維或多孔制品，在MEMS、催化、3D打印等領域有著廣闊的發(fā)展前景，因此它的出現(xiàn)立即引起材料科研工作者的青睞并得到迅速發(fā)展。

1前驅(qū)體熱解法制備陶瓷的特點

聚合物前驅(qū)體熱解法提供了一種很吸引人的、無需從陶瓷粉末開始的陶瓷部件的制備方法，由前驅(qū)體熱解制備陶瓷材料是一個低溫工藝過程，在較低溫度下不需要燒結(jié)助劑即可制備出接近致密的共價鍵陶瓷材料。利用熱解法制備的陶瓷材料通常為無定型非晶結(jié)構(gòu)，直到1400℃及以上仍然穩(wěn)定，在更高溫度時才結(jié)晶化形成熱力學穩(wěn)定相，其密度也低于結(jié)晶相。

傳統(tǒng)陶瓷制備工藝流程一般包括制粉、配料、研磨混合、成型、燒結(jié)，存在以下缺點[8,9]:

(1)制備方法過分依賴原料的純度、組成和顆粒的尺寸；

(2)原料顆粒和最終陶瓷都很難達到原子尺度的均勻混合；

(3)陶瓷燒結(jié)溫度過高，一般需要引入燒結(jié)助劑或在高壓下完成；

(4)該方法在陶瓷的成型工藝上有相當大的難度，制備出的陶瓷形態(tài)難以控制。

與傳統(tǒng)燒結(jié)工藝相比，前驅(qū)體熱解法具有如下優(yōu)點[10,11]：

(1)前驅(qū)體熱解法過程簡單、快捷，且可低溫實現(xiàn)陶瓷化，在不添加對高溫抗蠕變性能有害的氧化物燒結(jié)助劑情況下，一般可在800~1400℃制備材料，有效的降低了能耗和生產(chǎn)成本；

(2)由于制備的前驅(qū)體陶瓷的原料可以是液態(tài)聚合物或溶液、熔融體，可以塑模成型或紡絲成型，也可借鑒高分子工藝和設備加工制備各種陶瓷基復合材料部件，因此相對于傳統(tǒng)陶瓷工藝得到的陶瓷一旦燒結(jié)難實現(xiàn)精加工的情況，它特別適合于制造形狀復雜、尺寸精度要求高的陶瓷應用構(gòu)件。這種借鑒也可使得陶瓷的生產(chǎn)加工實現(xiàn)革命性的變革；

(3)聚合物前驅(qū)體的成分和微觀結(jié)構(gòu)可在原子尺度進行設計，因此特別適合于制備陶瓷基復合材料，如在聚合物階段就可以加入碳纖維及碳納米管等相應增強相；

(4)可以設計前驅(qū)體的組成和結(jié)構(gòu)以優(yōu)化產(chǎn)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，進而實現(xiàn)對陶瓷塊體、纖維及其復合材料的組成及結(jié)構(gòu)設計，以滿足不同材料性能要求，這也是前驅(qū)體制備的前驅(qū)體陶瓷最主要的優(yōu)點；

(5)可制備三元陶瓷及多元前驅(qū)體陶瓷。如通常采用聚硅氮烷或聚硅烷二酰亞胺為聚合物前驅(qū)體可以合成Si-C-N陶瓷，且熱解后陶瓷為無定型結(jié)構(gòu)，經(jīng)高溫處理后再轉(zhuǎn)化為晶體結(jié)構(gòu)[12,13]。

盡管前驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝有很多優(yōu)勢，但也存在某些不足，主要表現(xiàn)在前驅(qū)體裂解過程中會有小分子逸出，且前驅(qū)體(1.0g/cm3左右)轉(zhuǎn)化為陶瓷(2.0~3.2g/cm3)會有明顯的密度變化，從而產(chǎn)生較大的體積收縮。小分子逸出和體積收縮致使一次燒成的陶瓷材料密度較低，強度不高，需經(jīng)反復浸漬和裂解前驅(qū)體以提高材料密度和強度。

2有機前驅(qū)體的選擇

前驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝嚴格來講是由最初的單體開始的，小分子單體單元經(jīng)過復雜的高分子反應合成聚合物前驅(qū)體，然后經(jīng)過交聯(lián)固化、熱解得到最終的陶瓷結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)不同陶瓷材料的成分與制備工藝的差別，來確定對陶瓷前驅(qū)體分子的正確選擇，主要包括如下兩個方面：

(1)根據(jù)所要得到的陶瓷結(jié)構(gòu)的不同，需要確定相應的前驅(qū)體分子主鏈甚至是支鏈或基團的結(jié)構(gòu)。前驅(qū)體分子主鏈是分子中的主體，最適當?shù)闹麈溄Y(jié)構(gòu)應是最接近于裂解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的一類。前驅(qū)體的支鏈結(jié)構(gòu)也很重要，它直接決定著聚合物的溶解性、穩(wěn)定性、工藝性和陶瓷產(chǎn)物的殘留游離碳含量及最終的陶瓷產(chǎn)率等[14,15]。陶瓷前驅(qū)體一般結(jié)構(gòu)為Si-C主鏈結(jié)構(gòu)、B-N主鏈結(jié)構(gòu)及Si-O主鏈結(jié)構(gòu)等，即聚碳硅烷[16]、聚硅氮烷[17]、聚硼氮烷[18]、聚氧烷[19]等，相應得最終裂解轉(zhuǎn)化產(chǎn)物是碳化硅(SiC1+x，通常其含碳量較SiC高),Si3N4(碳氮化硅),BN,SiCN,SiCO。

(2)根據(jù)不同陶瓷材料的制備工藝的區(qū)別，對陶瓷前驅(qū)體的要求也有很大差異。例如，陶瓷纖維用前驅(qū)體需要聚合物具有可紡性且可進行不熔化處理；連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料所需前驅(qū)體最好是低黏度液體或有機溶劑可溶性固體，且聚合物與增強纖維應有較好的潤濕性?？梢娭苽涔に嚨牟煌苯記Q定著前驅(qū)體分子的結(jié)構(gòu)及物理化學性能的巨大差異[20]。

3改性SiCN前驅(qū)體陶瓷的研究進展

根據(jù)所采用的聚合物前驅(qū)體原料不同，可以制備不同組成的前驅(qū)體陶瓷，如二元相的Si3N4,SiC,BN,和AlN等,三元相的SiCN,SiCO和BCN等，以及四元相的SiBCN,SiBCO和SiAlCN等。由于前驅(qū)體熱解法可控制所制備的陶瓷在微觀結(jié)構(gòu)上為無定形的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這些材料在力學行為和高溫氧化行為上與單晶或多晶Si3N4和SiC等高溫材料明顯不同，具有抗氧化、耐高溫、抗蠕變等優(yōu)異特性。即使對于具有相似化學組成的陶瓷材料，用前驅(qū)體法制備得到的材料性能在很多方面不同于傳統(tǒng)粉末燒結(jié)工藝獲得的材料性能。與其他前驅(qū)體陶瓷相比，SiCxNy材料具有許多良好的特性。例如，其組成元素較小的原子直徑和共價鍵的本質(zhì)導致其具有獨特的光學性能，機械性能及熱性能[21,22]。相對于傳統(tǒng)燒結(jié)工藝制備的晶態(tài)SiCxNy(c-SiCxNy)薄膜材料，含硅聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷具有優(yōu)異的導電性，氮原子的存在狀態(tài)被認為是摻雜于陶瓷基體中的，這是導電性高的一個原因[23]。納米壓痕法測試得到其前硬度值為30GPa，彈性模量為322GPa，而前驅(qū)體熱解法制備的無定型SiCxNy(a-SiCxNy)陶瓷薄膜的硬度為22GPa，楊氏模量為245GPa[24,25]。

由于SiCN 前驅(qū)體陶瓷具有獨特的非晶結(jié)構(gòu)及良好的高溫性能，相關研究也越來越受到人們的重視。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)SiCN具有壓阻效應和介溫關系，即其電阻隨施加壓力的變化而變化，在不同溫度下，其電阻率和介電常數(shù)也會發(fā)生改變，這些性質(zhì)使SiCN前驅(qū)體陶瓷在高溫傳感器等方面有極大的應用潛力。在SiCN前驅(qū)體陶瓷中引入金屬離子，可使其具有特別的電性能和磁性能。在過渡金屬元素中，金屬鐵具有良好的電磁性能，人們采用不同的方法將Fe引入到SiCN前驅(qū)體陶瓷體系中。

3.1　引入羰基鐵制備 Fe/SiCN前驅(qū)體陶瓷

西北工業(yè)大學的 Yuchang Qing 等[26,27]為研究羰基鐵顆粒與SiCN納米粉體的電磁性能，而制備了Si/C/N/Fe復合材料。首先以環(huán)氧硅樹脂涂層為基體，使用呈鱗片狀的羰基鐵作為鐵源引入和CVD法合成的SiCN納米粉體，制備了摻雜鐵粒子的SiCN顆粒與涂層，用以測試其電磁性能和微波吸收性能。同時制備兩種不同的涂層：涂層A是50vol%的羰基鐵顆粒，涂層B是50vol%的羰基鐵顆粒和1vol%Si/C/N納米粉體。涂層A在X波段(2~18GHz)的復介電常數(shù)實部(ε′)幾乎是一個常數(shù)，其復介電常數(shù)的虛部(ε″)極小，幾乎可以忽略(ε′≈10.1，ε″≈0.2)。而帶有SiCN納米粉體的涂層B的ε′和ε″都比涂層A要高。很顯然，加入很少量的Si/C/N納米粉體能有效地加強復介電常數(shù)。Si/C/N納米粉體的加入能夠增加這種復合材料的界面，從而加強麥克斯韋-瓦格納極化現(xiàn)象，從而提高了復介電常數(shù)。這種介電損失隨著Si/C/N納米粉體的加入而增加，結(jié)果表明，涂層B的介電損耗分布于0.4至0.8之間。隨著微波頻率的上升，復介電常數(shù)的實部和虛部分別從18下降到10，從13下降到4。對于涂層A，復磁導率的實部(μ′)隨頻率的增加從3.4降低到1.1，然而復磁導率的虛部(μ″)卻在2~7.5GHz的頻率范圍內(nèi)從1.6增加到2.4，隨后隨頻率的增大而降低。涂層B的μ′值隨頻率的增大從3.85降至1.9，而μ″卻在8GHz處有一個2.7的峰。同樣的，控制羰基鐵顆粒的含量不變，隨著Si/C/N納米粉體的加入，復磁導率增加了。結(jié)果表明，Si/C/N納米粉體和羰基鐵顆粒的引入使得樹脂基體具有了良好的X波段微波吸收性能，這種性能源自于介電吸收劑、磁性吸收劑和樹脂基體界面合適的電磁匹配，羰基鐵顆粒較強的自然共振和吸收劑的多元極化。

3.2　引入FeCl3制備Fe/Li/Si/C/N陶瓷

中國科學院化學研究所工程塑料重點實驗室[28]研究摻有FeCl3的聚硅鋰鹽，并研究其基本組成與微觀結(jié)構(gòu)。在合成時，將六甲基環(huán)三硅烷、正丁基鋰混合反應，并將反應混合物在室溫下攪拌8h，之后在N2的保護下邊攪拌邊加入FeCl3。將所得到的物質(zhì)在管式爐中低燒至350℃保溫半小時進行交聯(lián)固化。研究了該樣品在不同溫度、不同氣氛條件下熱解后的磁學性能。所得的磁滯回線顯示，在N2氣氛中，磁化強度Ms隨熱解溫度的升高而增大，最終在900℃達到85.2emu/g，剩余磁化強度Mr和矯頑力Hc在600℃時達到最大，然后隨著溫度的升高而降低；在NH3氣氛中，500℃時樣品基本不顯磁性，Ms在700℃達到最大，然后隨溫度的升高而降低，Mr和Hc基本不隨溫度變化。這種在不同氣氛不同溫度下的變化可以用主要的微晶成分來進行解釋。結(jié)果表明，NH3氣氛下，在500℃和600℃的晶型都是Fe3N，700℃時是Fe4N和Fe，800℃是Fe，900℃是Fe4N和Fe3N，當在空氣中熱解時，只能形成少量的α-Fe2O3。

3.3　AFCOP法引入Fe、Fe3O4、Fe(CO)5合成Fe/SiCN陶瓷

德國達姆施塔特工業(yè)大學的EmanuelIonescu等[29]認為陶瓷的聚合物前驅(qū)體的分子結(jié)構(gòu)和類型不僅影響聚合物，而且影響相的數(shù)目和相的分散性以及最終陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)。在這種考慮的基礎上，聚合物前驅(qū)體陶瓷的物理化學性能可以通過改變前驅(qū)體的設計來改變。因此對前驅(qū)體的處理采用了活性填料受控熱解法?；钚蕴盍鲜芸責峤?AFCOP)過程中使用的前驅(qū)體共混物由聚合物(如聚硅氧烷或聚硅氮烷)和活性填料(如金屬(鈦，鉻，釩，鉬)或金屬間化合物(MoSi2,CrSi2粒子)組成?；钚蕴盍系闹饕饔茫菫榱藴p少預陶瓷化的聚合物的熱解轉(zhuǎn)換過程中的收縮率和孔隙的產(chǎn)生。因此，AFCOP技術制備的聚合物衍生的陶瓷部件具有低孔隙率。另外，采用不同的方法制備相似的三元陶瓷系統(tǒng)，通過AFCOP獲得的陶瓷基復合材料可以表現(xiàn)出較好的熱性能，機械性能等特性。

在實驗中，通過在液態(tài)聚硅氮烷中加入Fe3O4粉體可以在無定形的SiCN基體中產(chǎn)生α-Fe。將Fe3O4和聚硅氮烷的混合物在300℃交聯(lián)，1100℃Ar氣氛下進行熱解，所得的SiFeCN陶瓷含有Fe3Si納米顆粒，分散于無定型SiCN基體中。所得的樣品具有順磁性，具有約至57emu/g的飽和磁化強度。實驗還采用了五羰基鐵(Fe(CO)5)來合成含鐵SiCN陶瓷。利用五羰基鐵與聚硅氮烷反應，再經(jīng)過熱解，可以得到含有Fe3Si納米顆粒的納米陶瓷復合材料，F(xiàn)e3Si納米顆粒的直徑為5nm，它們嵌入在無定型基體中。把熱解溫度升高至1300℃時會產(chǎn)生Fe5Si3晶體，同時會產(chǎn)生SiC晶體。

在這種思想的影響下，德國達姆施塔特工業(yè)大學的R.Hauser等[30]考慮用兩種方法來制備含鐵SiCN陶瓷。一種是在聚硅氮烷中直接加入鐵粉，另一種是利用羰基鐵與聚硅氮烷反應來達到在SiCN材料中引入鐵的目的。其中，鐵粉混于預交聯(lián)之后的聚硅氮烷中。同樣的方法適用于羰基鐵的引入。混合并研磨金屬粉體與預交聯(lián)的聚硅氮烷，隨后按照“活性填料控制熱解”的概念進行熱解。摻有羰基鐵的SiCN陶瓷的制備開始于對帶有羰基鐵的聚硅氮烷的處理，控制氣氛為Ar氣氛，不添加其他任何物質(zhì)。將以上兩種樣品在管式爐中加熱至1100℃，保溫5h，Ar氣氛。通過對1100℃、Ar氣氛下熱解5h的含鐵樣品的XRD分析，發(fā)現(xiàn)它具有一個很容易辨識的Fe3Si峰。使用Fe(CO)5作為鐵源合成的陶瓷能看出其無定型陶瓷的本質(zhì)，它缺少易于辨識的衍射峰。圖譜中唯一的衍射峰是屬于FeSi3晶體。在樣品的SEM圖中看不出作為原料的鐵顆粒的存在，因此可以得出結(jié)論，鐵是經(jīng)過聚合物向陶瓷轉(zhuǎn)變過程中的化學反應而進入基體成為分散相，共同構(gòu)成了該復合材料。相反，使用羰基鐵作為原料的材料即使在高分辨率電鏡下也沒有相的區(qū)分。

鐵磁相的產(chǎn)生是因為熱解過程中Fe3Si的產(chǎn)生。相比1vol%Fe(CO)5，10vol%的鐵粉制得的產(chǎn)品擁有更高的飽和磁化強度Ms，兩種樣品的磁滯回線均很窄。總之，這種Fe/Si/C/N復合材料具有以下磁學性能特點：(1)磁滯回線窄；(2)在65K到300K范圍內(nèi)磁滯回線的形狀基本不變；(3)所有樣品的剩磁率都不高于0.15，并且隨溫度的變化無明顯差別；(4)矯頑力很小，與溫度基本無關。

3.4　引入乙酰丙酮鐵制備Fe/SiCN陶瓷

美國科羅拉多大學S.I.Andronenko等[31]希望制備能應用與極端高溫條件下的自旋子器件，因此選取了具有超順磁性和鐵磁性的磁性Fe/SiCN陶瓷。超順磁性出現(xiàn)條件較為苛刻，需要由非常小的微晶，尺度在1~10nm。具有超順磁性的材料熱能在低溫下不足以克服微晶相中鄰近原子的耦合。這種情況下，整個微晶就像磁偶極子，其特點是具有一個非常大的磁矩，它與外加磁場相互作用。這種軟磁材料擁有非常低的矯頑力，幾乎沒有磁滯現(xiàn)象。在鐵磁方面，納米顆粒在足夠大的情況下能夠展現(xiàn)出鐵磁性，在晶體部分的內(nèi)部能提供排列規(guī)則的順磁性離子來提供鐵磁性，能夠展現(xiàn)出磁滯回線。其工藝過程如下：在已經(jīng)加入過氧化二異丙苯的聚硅氮烷，加入乙酰丙酮鐵，之后進行固化，在N2氣氛400℃保溫進行交聯(lián)。將此物質(zhì)在600~1600℃之間的溫度下進行熱解，N2氣氛，最終形成塊體陶瓷Fe/SiCN陶瓷在1100℃熱解。熱解溫度從600~1580℃不等，這些樣品中含有三種不同的Fe3+離子：

(1)并入自由碳結(jié)構(gòu)中的Fe3+離子，可以增強材料的磁矩；

(2)Fe5Si3顆粒，它表現(xiàn)出極好的順磁性；

(3)第三種Fe3+只存在于高于1200℃熱解溫度的樣品中，它可能進入到Si/C/N納米晶粒中，而這種離子在高于1530℃的溫度下會逐漸消失。

3.5　引入二茂鐵鐵制備Fe/SiCN陶瓷

也有研究表明二茂鐵的引入可以成功合成出含鐵硅碳氮陶瓷材料。金屬或非金屬填料通常被稱為活性材料，因為在聚合物向陶瓷轉(zhuǎn)變的過程中，他們主要與產(chǎn)生的氣相發(fā)生反應，而且同時與加熱氣體或者陶瓷殘余物產(chǎn)生的碳化物、氮氣、氧氣或者硅化物反應[32]。已有報道稱成功合成了二茂鐵酯環(huán)蕃硅，產(chǎn)生可溶性大分子量聚二茂鐵硅，它可以進一步在1000℃下N2氣氛中熱解得到含鐵磁性α-Fe晶相(嵌入到C/SiC/Si3N4基體中)的聚合物前驅(qū)體陶瓷[33]。由螺環(huán)化二茂鐵脂環(huán)蕃制得的交聯(lián)聚合物具有很高的陶瓷產(chǎn)率，能達到90%，而且它能在更低的溫度下熱解，形成更小的超順磁性鐵簇。在更高的熱解溫度，這些簇會長大，逐漸表現(xiàn)出鐵磁性。

4結(jié)論與展望

前驅(qū)體陶瓷材料經(jīng)液態(tài)高分子前驅(qū)體熱解而成，無需傳統(tǒng)陶瓷的制粉、成型和燒結(jié)等制備流程，具有熱解溫度低、組成和微觀可控，并可成型復雜結(jié)構(gòu)體等特點。目前其存在的主要問題是制品密度和強度有待提高，需要后期反復浸漬和前驅(qū)體裂解工藝實現(xiàn)材料致密化，難以規(guī)?；瘧茫拗屏酥破返挠猛?。

利用不同鐵的前驅(qū)體與聚硅氮烷復合可以制得Fe/SiCN陶瓷材料，該材料具有一定的鐵磁性能，在雷達、天線罩、航空、航天等領域有廣闊的應用前景。目前存在的主要問題是其工藝難以實現(xiàn)穩(wěn)定化，批量化生產(chǎn)，需要更多的研究工作加以完善。

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Precursor Pyrolyzing Process and Research on Fe Modified SiCN Ceramics By Pyrolysis of Precursor

Li Guijia1Wang Xianli2Feng Yurun2

(1Material Engineering Invention Examination Department，State Intellectual Property office of the People’s Republic of China，Beijing 100088;2Key Laboratory for Liquid-Solid Structural Evolution and Processing of Materials (Ministry of Education), Shandong University, Jinan 250061;)

Abstract:The paper introduces the technological characteristics and current research of precursor ceramic prepared by pyrolysis. The research progress of SiCN precursor ceramic modified by Fe was reviewed and its future utilization was forecast as well in this paper.

Keywords:precursor ceramic;SiCN;Fe modified

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.05.005