[发明专利]一种ZrC耐高温陶瓷先驱体的制备方法

说明书

一种ZrC耐高温陶瓷先驱体的制备方法。本发明涉及一种液相ZrC耐高温陶瓷先驱体的制备方法，本发明的目的是为了解决现有制备碳化物陶瓷材料的方法中合成温度较高、成本高的问题，本发明以合成ZrC陶瓷先驱体为目的，重点解决在反应过程中将Zr元素交联在乙二胺、二烯丙基胺中。由先驱体的XPS测试结果可知在反应过程中形成了新的化学键，即Zr‑N键，通过共价键将N、Zr连接起来，形成含有大量N、Zr、Cl、C元素的先驱体聚合物，得到一种ZrC陶瓷先驱体的制备方法。本发明在较低的温度环境中便可实现有机、无机转换，无需添加烧结助剂，成本低。本发明适用于陶瓷先驱体制备领域。

技术领域：

本发明涉及一种液相ZrC耐高温陶瓷先驱体的制备方法。

背景技术：

超高温陶瓷材料由于其优异的性能受到了广泛的关注，如硼化物、碳化物和氮化物。非氧化物陶瓷材料具有耐高温、强度高、良好的断裂韧性、抗氧化能力强等特点，在高温应用中有很大前景。特别是在航空航天工业中，用于高超音速飞行器、火箭发动机喷嘴和能够承受最极端进入条件的大气进入探针。

大多数文献都是由传统的溶胶-凝胶法制备碳化物陶瓷材料，这些陶瓷中的氧只能通过与游离碳的高温碳热反应来去除。应用碳热还原法制备ZrC陶瓷的温度一般在1500-1600℃左右，甚至需要更高的反应温度，而且由于反应原料难以充分接触容易导致反应不完全。此外，合成过程中需要使用大量惰性气体，能源消耗较大，不适用于大规模的高纯陶瓷粉体生产。

发明内容：

本发明的目的是为了解决现有制备碳化物陶瓷材料的方法中合成温度较高、成本高的问题，提供了一种液相ZrC耐高温陶瓷先驱体的制备方法。

本发明一种液相ZrC耐高温陶瓷先驱体的制备方法按以下步骤进行：

一、向甲苯溶液中加入四氯化锆，在30～50℃条件下搅拌均匀，得到先驱体溶液A；

二、向先驱体溶液A中加入乙二胺和二烯丙基胺，通入N₂，在溶液温度为25～30℃条件下搅拌，在紫外线UV固化灯下进行交联反应，得到先驱体溶液B；

三、将先驱体溶液B升温至100～120℃，然后蒸馏1～2h，得到先驱体溶液C；

四、将先驱体溶液C在60～70℃下旋转蒸发，得到先驱体溶液D；

五、将先驱体溶液D放入烘箱中进行干燥固化，得到ZrC陶瓷先驱体。

本发明以合成ZrC陶瓷先驱体为目的，重点解决在反应过程中将Zr元素交联在乙二胺、二烯丙基胺中。由先驱体的XPS测试结果可知在反应过程中形成了新的化学键，即Zr-N键，通过共价键将N、Zr连接起来，形成含有大量N、Zr、Cl、C元素的先驱体聚合物，得到一种ZrC陶瓷先驱体的制备方案。在此过程中，再通过先驱体分子水平设计，可有效地调整ZrC陶瓷先驱体的结构，保证先驱体中元素分布的均匀性。随后通过紫外交联、固化使先驱体脱去小分子形成高聚物，最终经过热解形成稳定的ZrC陶瓷材料，由共价键连接所得到的陶瓷产物为纳米级，其具有更高的烧结活性。

本发明允许反应生成物在较低的热解温度下(≤1500℃)实现有机-无机转换，并且无需添加烧结助剂，降低了生产成本、减少环境污染，合成了纳米级的陶瓷产品；使用聚合物衍生陶瓷法调控锆源和氮源的比值可以从分子级别上进行改性，从而对陶瓷的组成、结构和性能进行调控。本发明提供了一种环境友好型、微观化学结构可调控的ZrC陶瓷先驱体制备方法，该制备方法获得的液相ZrC陶瓷先驱体同时具有分子结构可控，热解温度低等优点，可用于碳纤维增强陶瓷基复合材料等高附加值产品的制备，此外高温热解后形成的ZrC陶瓷颗粒尺寸为纳米级，扩大了材料的应用范围。在制备得到的液相ZrC陶瓷先驱体中，通过共价键将N、Zr连接起来，形成通过化合键稳定的高分子先驱体结构。根据加入试剂摩尔比的不同可得到不同陶瓷产率的先驱体聚合物。按照上述步骤制备得到ZrC先驱体的陶瓷产率25～32％，高温下热解得到ZrC纳米陶瓷粉体。