常见的陶瓷前驱体主要包括聚合物前驱体、金属有机前驱体和溶胶 - 凝胶前驱体等,其中聚合物前驱体包含下述几项:①聚碳硅烷:结构中含有硅原子和碳原子相间成键,热解后能得到 SiC 陶瓷。应用于纳米陶瓷微粉、陶瓷薄膜、涂层、多孔陶瓷等材料的制备,合成方法有脱氯和热解重排法、开环聚合法、缩聚合成法和硅氢加成法等。②聚硅氮烷:结构以 Si-N 键为主链,热解后可得到 Si₃N₄或 Si-C-N 陶瓷,在信息、电子、航空、航天等领域应用较多。③聚硼氮烷:结构中以 B-N 键为主链,热解后能得到 B₃N₄陶瓷。氮化硼陶瓷具有密度小、熔点高、高温力学性能好、介电性能优良、具有润滑性等特点,是飞行器透波结构件的推荐材料。④元素掺杂的陶瓷前驱体:含钛、锆、铪、铝、铌、钼等异质元素,可解决陶瓷功能单一化的问题,能制备出难熔金属碳化物、硼化物和氮化物。
这种陶瓷前驱体可制成高性能的陶瓷涂层,提高金属材料的耐腐蚀性和耐磨性。湖北特种材料陶瓷前驱体涂料
陶瓷前驱体在航天领域具有广阔的应用前景,主要体现在应用领域拓展:①热防护系统:陶瓷前驱体制备的陶瓷基复合材料可用于航天器的热防护系统,如航天飞机的机翼前缘、鼻锥等部位。这些材料能够承受高温气流的冲刷和热辐射,保护航天器内部的结构和设备免受高温破坏。②航空发动机:陶瓷前驱体可用于制备航空发动机的热障涂层、涡轮叶片等部件。热障涂层能够有效降低发动机部件的工作温度,提高发动机的效率和可靠性;涡轮叶片采用陶瓷基复合材料制造,可以在高温下保持良好的力学性能,提高发动机的推力和燃油经济性。③卫星部件:陶瓷前驱体可用于制造卫星的天线、太阳能电池板支撑结构等部件。陶瓷材料具有优异的电绝缘性能、热稳定性和抗辐射性能,能够保证卫星在复杂的空间环境下长期稳定工作。湖北特种材料陶瓷前驱体涂料对陶瓷前驱体的元素组成进行分析,可以采用能量色散 X 射线光谱等技术。
陶瓷前驱体种类繁多,包括超高温陶瓷(ZrC、ZrB₂、HfC、HfB₂)前驱体聚合物、聚碳硅烷、聚碳氮烷、元素掺杂的聚碳硅烷、反应型含硅硼氮单源陶瓷前驱体以及其他无机或有机前驱体、混合有机前驱体等。超高温陶瓷前驱体是指通过热解可以生成金属碳化物和硼化物等超高温陶瓷的一类聚合物。聚碳硅烷是指结构中含有硅原子和碳原子相间成键,并且热解后能得到 SiC 陶瓷的一类聚合物的总称,广泛应用于纳米陶瓷微粉、陶瓷薄膜、涂层、多孔陶瓷等材料的制备。聚硅氮烷是指结构中以 Si-N 键为主链,并且热解后能得到 Si₃N₄或 Si-C-N 陶瓷的一类聚合物的总称,广泛应用于信息、电子、航空、航天等领域。
陶瓷前驱体燃料电池领域的应用案例如下:①陶瓷质子膜燃料电池:清华大学助理教授董岩皓与合作者提出界面反应烧结概念,设计开发了可控表面酸处理和共烧技术,让氧气电极层和电解质层之间实现活性键合,改善了陶瓷质子膜燃料电池的电化学性能和稳定性。该器件在低至 350 摄氏度时仍具有鲜明的性能,在 600 摄氏度、450 摄氏度和 350 摄氏度的条件下,分别实现每平方厘米 1.6 瓦、每平方厘米 650 毫瓦和每平方厘米 300 毫瓦的峰值功率密度。②固体氧化物燃料电池:采用金属醇盐、金属酸盐或金属卤化物等作为陶瓷前驱体,通过溶胶 - 凝胶法、水热法等制备技术,可以合成具有特定微观结构和性能的陶瓷电解质和电极材料。例如,以钇稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷前驱体制备的电解质,具有良好的氧离子导电性,能够在高温下实现高效的氧离子传导,提高燃料电池的性能。③锂离子电池领域-正极材料:董岩皓与合作者提出渗镧均匀包覆和陶瓷粉体行星式离心解团等多项创新技术,阐述了应力腐蚀断裂主导的衰减机理,并修正传统理论框架下的脆性机械断裂认知。他们以锂离子电池中常用的正极材料氧化锂钴为例,展示了有效的表面钝化、抑制表面退化,以及改善的电化学性能,证明其高电压稳定循环较大可达到 4.8 伏高校和科研机构在陶瓷前驱体的研究方面取得了许多重要成果。
目前,陶瓷前驱体的研究在国内外都受到了广泛的关注。国内技术较日本、德国等国家仍处于追赶阶段,在陶瓷前驱体的开发技术与应用领域的研究也在持续深入,还存在着研究能力较弱,研究成果产业化转化实力不足等诸多问题。未来,陶瓷前驱体的发展趋势将向更长时间、更高服役温度、更高力学强度方向发展,为此亟需开展无氧陶瓷前驱体、多元复相陶瓷前驱体等新型超高温陶瓷前驱体的开发。同时,随着科技的不断进步,陶瓷前驱体的制备方法和应用领域也将不断拓展和创新。陶瓷前驱体的力学性能测试包括硬度、强度和韧性等指标的测量。湖北特种材料陶瓷前驱体涂料
利用静电纺丝技术结合陶瓷前驱体热解,可以制备出直径均匀、性能优异的陶瓷纤维。湖北特种材料陶瓷前驱体涂料
如制备硅硼碳氮(SiBCN)陶瓷前驱体,将含硅、硼、碳、氮的有机化合物(如硅烷、硼烷、含氮有机物等)与无机化合物(如硼酸、硅粉等)混合,在一定的温度和气氛条件下进行反应。例如,将二甲氧基甲基乙烯基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲氧基三甲基硅烷等硅氧烷单体与甲基硼酸溶解于 1,4 - 二氧六环中,搅拌反应,旋蒸去除溶剂,得到中间产物。再将中间产物与三乙胺混合,在冰浴环境下滴加甲基丙烯酰氯,进行冰浴反应,经过滤、旋蒸去除沉淀和溶剂,得到液态 SiBCN 陶瓷前驱体。湖北特种材料陶瓷前驱体涂料
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