寧波材料所高品質碳化潤澤昌盛矽陶瓷先驅體研

文章来源:Erron 时间:2018-12-27

  寧波材料所高品質碳化潤澤昌盛矽陶瓷先驅體研制獲進展

 

  碳化矽(SiC)陶瓷具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、耐輻照、抗氧化、熱膨脹率小和熱導率初等優異的綜合功能,在航空航天、核電、高速機車、武器裝備等關鍵領域具有重要的應用價值。SiC陶瓷因其極高的熱穩定性和強度,成型加工困難。

  当前,國際上陶瓷原料的制備次要采纳傳統的粉末成型办法,包括微粉制備、成型(壓延、擠塑、幹壓、等靜壓、澆註、註射等方式)、燒結(熱壓燒結、反應燒結、常壓燒結、氣氛壓燒結、熱等靜壓燒結、放電等離子體燒結等方式)、加工等過程。最近30年,陶瓷原料新型制備工藝層出不窮,在各個環節上均有所打破,但仍存在局限性,制備溫度高(雖然添加燒結助劑可降低燒結溫度,但燒結助劑又會影響陶瓷的功能)、不易獲得均勻的化學成分與微觀結構、難以進行精加工以及陶瓷原料高脆性難以解決等問題。

  先進的陶瓷制備技術必須在原料制備、成型、燒結等方面有所打破。自1975年Yajima等使用聚碳矽烷制備出SiC陶瓷纖維後,先驅體轉化陶瓷技術進入人們的視野 。根據BCC Research調查報告,2017年环球陶瓷先驅體市場為4.376億美元(其中,SiC陶瓷先驅體占40.4%市場份額),預計到2022年將達到7.124億美元,年均增長10.2%。所謂先驅體轉化陶瓷是首先通過化學分解办法制得可經高溫熱解轉化為陶瓷原料的聚合物,經成型後,再通過高溫轉化獲得陶瓷原料。其具有諸多優點:分子的可設計性:可通過分子設計對先驅體化學組成與結構進行設計和優化,進而實現對陶瓷組成、結構與功能的調控;优良的工藝性:陶瓷先驅體屬於有機高分子,繼承瞭高分子加工性好的優點,例如可溶解浸漬、可紡絲、可模塑成型、可發泡、可3D打印等,因而能用於制備傳統粉末燒結工藝難以獲得的低維原料和復雜構型,例如陶瓷纖維、陶瓷薄膜、復雜立體構件等;可低溫陶瓷化,無需引入燒結助劑;可制備三元和多元共價鍵化合物陶瓷;可獲得纖維增韌的陶瓷原料,從而解決陶瓷原料高脆性問題。

  先驅體轉化陶瓷技術能够靈活操纵和改善陶瓷原料的化學結構、相組成、原子分佈和微結構等,具有傳統陶瓷制備技術無法比擬的優勢。以先驅體轉化法制備陶瓷原料,其關鍵之處在於能否制備出合適的先驅體,這直接決定瞭能否能胜利制備出優異功能的陶瓷原料。当前胜利開發並應用的SiC陶瓷先驅體次要是固態聚碳矽烷(PCS)。但PCS作為SiC陶瓷先驅體仍存在不敷,如PCS中C/Si為2,其熱解產物富碳,最終影響SiC陶瓷的功能;PCS陶瓷產率較低;其在室溫下為固體,用於构成復合原料中陶瓷基體時,浸漬過程中需求二甲苯、四氫呋喃等溶劑,而在裂解之前又需求蒸發這些溶劑,導致制備周期長和工藝繁瑣等。

  近日,寧波原料技術與工程研讨所核能原料工程實驗室經過研庫茲馬陸續罰中三球,湖人隊以85-84反超讨,制備出一種流動性好(復數粘度0.01~0.2Pa·S)、存儲時間長(>6個月)、氧含量低(~0.1 wt%)、陶瓷產率高(1600℃陶瓷產率達~79wt%)、陶瓷產物中C/Si為~1.1,且1500℃靜態氧化後質量變化小於3%的液態超支化聚碳矽烷(LHBPCS)。樣品品質獲得多個應用單位的一定。此外,該研讨團隊在LHBPCS固化交聯機理上也有深化研讨,能夠實現其光固化成型和低溫熱固化成型,凝膠化時間僅數分鐘,且結構致密無泡孔。

  相關研讨结果發表在J. Eur. Ceram. Soc.Adv. Appl. Ceram.J. Am. Ceram. Soc.等期刊上 。相關研讨失掉瞭國傢自然科學基金严重研讨計劃、中科院重點安排項目等的資助。

  

  

圖1.制備的LHBPCS及交聯固化與燒結後致密形貌

  

  

圖2.制備的LHBPCS在差别熱引發劑(TBPB)含量下交聯速率變化