Исследование процесса получения керамической матрицы из полимерных прекурсоров

УДК 678.84:661.66

Я.В. Гордеева, Н.И. Швец, Л.Ю. Шитикова, Н.П. Какуркин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия ФГУП «ВИАМ», Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ ПРЕКУРСОРОВ

Исследован процесс образования карбидокремниевой матрицы при пиролизе поликар-босиланового связующего в интервале от 300 до 11000С. Установлено влияние химического состава полимерного связующего и температурно-временных параметров пиролиза на выход и элементный состав керамического продукта.

Process of formation of silicon carbide matrix by pyrolysis of polycarbosilanes in the range of 300 to 11000C is investigated. Influence of the chemical composition of the polymer matrix and pyrolysis conditions on the yield and element structure of a ceramic product is established.

Керамические композиционные материалы (ККМ) представляют собой систему, состоящую из тугоплавкого армирующего наполнителя и керамической матрицы. Наибольший интерес для получения ККМ с рабочей температурой на воздухе 1000 ОС и выше в качестве керамической матрицы представляет карбид кремния, обладающий высокой окислительной стойкостью, высокой теплопроводностью и термостойкостью и т.д. Для получения карбидокремниевых ККМ применяется несколько методов. В данной работе использован жидкофазный метод LPI (Liquid Polymer Infiltration) [1], в котором осуществляется цикл «пропитка наполнителя полимерным связующим - отверждение - пиролиз». Для получения высококачественных керамических композитов с минимальной пористостью (т.е. с максимальной плотностью) цикл повторяется неоднократно (до 3 - 8 раз).

Для реализации метода необходимы полимерные связующие, которые при высокотемпературных превращениях образуют керамическую матрицу, основным компонентом которой является карбид кремния. Основу исследуемого связующего составляет поликарбосилан (ПКС), основная цепь которого состоит из чередующихся атомов кремния и углерода [2]. В случае использования ПКС без добавок выход керамического продукта составляет примерно 60%. Применение высокореакционноспособных отвер-дителей обеспечивает предварительное отверждение в инертной среде данного связующего. Происходит образование сшитого полимера (прекурсора), при последующем пиролизе которого выход пиролитического остат-

ка повышается до 80%. На основании данной предпосылки вторым компонентом связующего нами был выбран отвердитель, который относится к классу органосилазанов [3,4].

В работе был проведен процесс отверждения с получением полимерного прекурсора и процесс пиролиза при 1100°С с получением образцов керамических продуктов. Определен выход керамического остатка, его химический и фазовый состав.

Установлено, что образец пиролизата, полученный при 1000°С, является рентгеноаморфным (рис.1).

Элементный анализ пиролизата, полученного при температуре 1100°С, определен методом лазерной масс-спектроскопии (табл.1).

По результатам данного анализа рассчитан следующий вещественный состав керамической матрицы: SiC - 66,9 %, - 11,5 %, количество SiO2, полученное на основании результатов элементного анализа - около 7%.

Рис.1. Дифрактограмма образца пиролизата связующего ПКС3-21М Таблица № 1. Элементный состав образца продукта пиролиза связующего ПКСЗ-21 М*

Характеристика образца Элемент % массовые

Образец продукта пиролиза связующего ПКСЗ-21М, полученный при 1100°С С 21,2900

N 4,5940

59,9191

* - Примечание: Использованы данные, наиболее полно характеризующие образец.

Также была исследована термоокислительная устойчивость на воздухе образцов пиролизатов, полученных при температуре 1100°С (рис.2). Установлено, что изменение массы за 50 часов экспозиции не превышает 0,5 %.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что применение исследуемого поликарбосиланового связующего (прекурсора) обеспечивает высокий выход (до 80%) керамической матрицы, содержащей не более 7 % двуокиси кремния и обладающей термоокислительной устойчивостью при 1100°С.

Это свидетельствует о возможности применения ККМ на основе ис-

Рис.2. Изменения массы образца пиролизата/выдержка при 1100°С

Библиографический список

1. http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=fabrication_of_cerami c_matrix_composites_by_chemical_vapor_infiltration_cvi

2. Щербакова Г.И., Сидоров Д.В., Варфоломеев М.С., Жигалов Д.В., Блохин М.Х. Элементоорганические соединения - для создания компонентов современных керамокомпозитов// Все материалы. Энциклопедический справочник. М. 2010, №11. - С. 11-15.

3. Рыжова О.Г., Поливанов А.Н., Тимофеев И.А. Полиорганосилаза-ны: настоящее и будущее //Все материалы. Энциклопедический справочник. М. 2010, №10. - С. 47-55.

4. Пат. РФ 2190582 09.01.2001. С04В35/00 Керамикообразующая композиция, керамический композиционный материал на ее основе и способ его получения. Каблов Е.Н., Минаков В.Т., Гуняев Г.М., Сорина Т.Г., Стребкова Т.С., Швец Н.И., Антонова С.В., Солнцев С.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А.