聚硅氮烷的应用研究进展

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1、，2013，27(3):216～222技术进展SILICONEMATERIAL*聚硅氮烷的应用研究进展张宗波，曾凡，罗永明，徐彩虹(中国科学院化学研究所，北京100190)摘要:在简要介绍聚硅氮烷发展历程的基础上，综述了聚硅氮烷的应用研究进展，主要包括纤维、涂层、块体、多孔陶瓷、微电子机械系统(MEMS)等应用形式，并结合本课题组在聚硅氮烷方面的研究成果展望了聚硅氮烷的发展前景。关键词:聚硅氮烷，陶瓷，前驱体，纤维，涂层，陶瓷块体，多孔陶瓷，微电子机械系统+中图分类号:O63

2、4.41文献标识码:A文章编号:1009－4369(2013)03－0216－07聚硅氮烷是一类主链以Si—N键为重复单元烷;美国KiON牌号为“ceraset”的聚脲硅氮的无机聚合物。自1921年A.Stock等人首次报烷、聚硅氮烷;另外，美国DowCorning公司、［1］道采用氨气氨解氯硅烷制备聚硅氮烷以来，德国Bayer也有部分聚硅氮烷的产品;在国内，研究者对聚硅氮烷的研究已持续了近一个世纪。本所开发出PSN系列聚硅氮烷。聚硅氮烷的成相比其类似聚合物———主链以Si—O链为重复单功商品化推动了其在各方面的应用研究，其中作元的聚硅氧烷，聚硅氮烷的开发和应用逊

3、色很为陶瓷前驱体的研究最为丰富。多。其主要原因有两个:一是大部分聚硅氮烷相1聚硅氮烷作为陶瓷前驱体对活泼，与水、极性化合物、氧等具有较高的反应活性，因此保存和运输较困难;二是聚硅氮烷通过裂解聚合物得到陶瓷材料的方法(见的制备方法尚不完善，并不能有效地对反应产物图1)相比传统的无机粉末烧结法具有独特的优进行控制，反应产物复杂，摩尔质量偏低。势，如:可利用聚合物的成型方式制备陶瓷材尽管如此，经过近一个世纪的发展，已开发料，工艺性好;通过聚合物分子设计能得到化学出商业化聚硅氮烷产品，如瑞士Clariant、日本组成和结构不同的陶瓷材料。Teon、英国AZElectron

4、icmaterials的全氢聚硅氮图1聚硅氮烷制备陶瓷材料的过程1.1用于制备陶瓷纤维时黏度又不可随温度变化太快，否则工作窗口太20世纪年代，聚合物前驱体制备SiC纤维窄。液态聚脲硅氮烷(PUVMS)经过烷氧基锆的兴起激起研究者通过聚硅氮烷制备Si3N4、改性后，其可纺性提高，所制备的陶瓷纤维含少Si3N4/SiC或SiCN纤维的兴趣。目前，研究者已量ZrO2，拉伸强度在1.85GPa以上。Zr元素的对聚硅氮烷的可纺性、纺丝工艺、不熔化处理方收稿日期:2012-11-09。式、裂解方法等有了较深刻的认识，但之前的研作者简介:张宗波(1984—)，助理研究员，主要从

5、事有机究集中在熔融纺丝上。采用液体聚硅氮烷制备纤硅材料的研究工作。E－mail:zongbo@iccas.ac.cn。*基金项目:国家自然科学基金项目(50973113)，973计维需要聚硅氮烷具有较高的黏度以便于纺丝;同划项目(2010CB934705，2012CB93320)。第3期张宗波等.聚硅氮烷的应用研究进展·217·加入降低了材料中自由碳的含量，从而提高了其压力浇铸法是将液体聚硅氮烷浇入模具中，抗氧化能力，因而这种SiCN－ZrO2陶瓷材料的然后放入密闭容器，在加压及400℃条件下固［2］氧化速率常数低于SiCN本体材料。关于不熔化，固化样品再在惰性气

6、氛:1000℃条件下裂化处理方面，最近G.Motz等人提出了电子辐射解9h，得到SiCN陶瓷块体材料。这样得到的样交联固化聚硅氮烷纤维的方法，通过改变电子束品的弯曲强度达到1.1GPa，硬度达到26GPa，量可使纤维短时间内固化，为实现纤维材料的大杨氏模量达到160GPa，该力学数据在目前报道［3］［7］。规模制备提供了可能。的SiCN块体陶瓷中最高1.2用于制备块体陶瓷材料1.3用于制备陶瓷涂层采用聚合物前驱体法制备陶瓷材料具有独特对于用有机聚硅氮烷制备陶瓷涂层的研究已的优势，然而这样得到的陶瓷却不尽完美:一方取得了很多有意义的结果(见表1)。F.Kerm等面，

7、在裂解过程中，部分有机基团脱除，产生气人设计了一套对碳纤维表面进行涂层处理的中试体，使材料内部产生很多孔;另一方面，裂解过装置，从纤维的表面处理、浸渍聚硅氮烷溶液、程中材料出现收缩，严重时会出现材料开裂、翘到涂层固化和裂解，可连续进行，实现了10000m曲变形等情况。为此，研究者采用不同的方式，碳纤维的连续化处理。在此工艺过程中，聚硅氮如热压/裂解、液相烧结、预裂解/粘合/裂解、烷浓度非常重要，太低(聚硅氮烷质量分数小压力浇铸(pressurecasting)等对聚硅氮烷进行于2%)不能实现对纤维的全面保护，太高固化裂解，从而得到缺陷相对较少的陶瓷材料。(聚硅氮烷

8、质量分数大