[发明专利]一种聚碳硅烷先驱体的催化合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚碳硅烷先驱体的合成方法，尤其是涉及一种聚碳硅烷先驱体的催化合成方法。

背景技术

随着航空、航天、兵器、能源等高技术的发展，对高温热结构材料提出了越来越高的要求。传统的金属材料和高分子材料已很难满足这些应用要求。耐高温、低密度的陶瓷基复合材料已成为耐高温材料的发展趋势。发达国家无不投入巨资研究耐高温陶瓷基复合材料，其中连续纤维增强的陶瓷基复合材料因其优异的综合性能而成为研究与开发的重点。

耐高温纤维（在高温下能保持高强度和高模量的连续陶瓷纤维）是制造耐高温陶瓷基复合材料的前提和基础。SiC纤维作为一种新型陶瓷纤维，具有密度小、比强度大、比模量高、线膨胀系数小、耐高温、耐腐蚀、高强度等特点，与金属、陶瓷、聚合物具有很好的复合相容性，是高性能复合材料的理想增强纤维。同时SiC纤维集结构—隐身—防热多功能于一身，是一种非常理想的无机增强纤维，在航天、航空、兵器、船舶和核工业等一些高技术领域具有广泛的应用前景。

SiC基复合材料可以在高温下保持高强度、高模量的特性，同时密度远小于金属和合金材料，目前以碳（C）纤维、SiC纤维增强SiC基复合材料已经在航空、航天、核能、高速刹车、高温气体过滤和热交换器等领域得到广泛应用。

有机先驱体转化法是以有机聚合物（多为有机金属聚合物）为原料，利用其可溶、可熔等特性实现成型后，经高温热分解处理，使之从有机物转变为无机陶瓷材料的方法。该有机金属聚合物就称为有机先驱体或陶瓷先驱体。先驱体转化法具有工艺性好（易于制备复杂异型构件）、制备温度低、易于工业化等优点而受到广泛关注。有机先驱体转化法是制备SiC纤维、SiC基复合材料的主要方法之一。而有机先驱体则是先驱体转化制备陶瓷基复合材料的关键原料之一。

聚碳硅烷（polycarbosilane, 简称PCS）是一种以Si-C为主链的聚合物：[-(SiR¹R²-CH₂)_x(SiR³H-CH₂)_1-x-]_n。聚硅碳硅烷（Polysilacarbosilane, 简称PSCS）是一种以Si-Si为主链的低分子量聚合物，其中嵌段Si-C：[-(SiR¹R²-SiR³R⁴) _x(SiR⁵R⁶-CH₂)_1-x-]。

PCS室温下为固体，稳定性好，可溶于四氢呋喃、二甲苯等有机溶剂，加热可熔融，具有良好的可加工性能，是有机先驱体转化法制备SiC纤维、SiC基复合材料最重要、最常用的有机先驱体。

现有PCS的合成方法有多种。常见的有：（1）热解-重排转化法；（2）开环聚合法；（3）硅氢化法；（4）聚合物金属化法；（5）共混法。另外还有热裂解法、溶胶－凝胶法、电化学法、光化学法、缩聚法、共聚法等。但实现产业化的，目前只有热解-重排转化法。

研究表明，反应压力对热解-重排转化法合成的PCS先驱体的理化性能有重要影响。因此，该法又包括高温高压法和常压高温裂解转化法。这是目前国内外两种较典型的PCS先驱体合成方法。高温高压法是较成熟的方法，合成收率一般为45%-55%，但该法需要用到高温高压反应釜，需要特别考虑安全性问题，由于高温高压反应釜的体积限制，难于实现PCS先驱体的大批量合成，导致PCS先驱体的生产成本较高；常压高温裂解转化法合成装置简单，安全性好，容易实现PCS先驱体的大批量合成，不过，虽然生产成本相对于高温高压法较低，但由于合成收率较低（一般在35%-40%之间），生产成本仍然较高。