Design of Polymeric Si−B−C−N Ceramic Precursors for Application in Fiber-Reinforced Composite Materials

陶瓷 材料科学 热重分析 硅氢加成 复合数 热稳定性 无定形固体 微观结构 复合材料 聚合物 化学工程 纤维 高分子化学 催化作用 有机化学 化学 工程类
作者
Markus Weinmann,Thomas W. Kamphowe,Jörg Schuhmacher,Klaus Müller,Fritz Aldinger
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:12 (8): 2112-2122 被引量:96
标识
DOI:10.1021/cm001031w
摘要

The synthesis, detailed spectroscopic characterization, polymer-to-ceramic conversion, and high-temperature behavior of a new class of polymeric precursors for Si−B−C−N composites are discussed. The title compounds [B(C2H4−SiR1R2−C2H4−SiHNH)3]n (C2H4 = CHCH3, CH2CH2; 5a: R1, R2 = H; 5b: R1 = H, R2 = CH3; 5c: R1, R2 = CH3) were designed especially for the preparation of ceramic films and fiber-reinforced ceramic composite matrixes. They are obtained in quantitative yields by the reaction of oligovinylsilazane [(H2CCH)SiH−NH]n (4) with tris(hydridosilylethyl)boranes of general type B(C2H4SiHR1R2)3 (C2H4 = CHCH3, CH2CH2; 3a: R1, R2 = H; 3b: R1 = H, R2 = CH3; 3c: R1, R2 = CH3) in a thermally induced hydrosilylation reaction without catalyst and/or solvent and without the formation of byproducts. Ceramic yields are 83% for 5a, 82% for 5b, and 63% for 5c as shown by thermogravimetric analysis (TGA). High-temperature TGA of the as-obtained amorphous ceramic materials, carried out in an argon atmosphere, reveals a thermal stability toward degradation of the 5b-derived material 6b up to 2000 °C. In contrast, the 6a material, which was obtained from 5a, decomposes around 1850 °C. The least stable is the 6c ceramic, which decomposes at 1450 °C. The microstructure development of 6a−6c was investigated in the temperature range of 1400−2000 °C by X-ray diffraction (XRD), indicating that preferentially crystalline α-silicon carbide is formed at 1700 °C for 6a, 1500 °C for 6b, and 1600 °C for 6c. In addition, there are less intensive reflections observed in the XRD patterns of 6a, caused by the formation of β-silicon nitride.
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