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杭州材質(zhì)所高效率石墨烯瓷器先驅(qū)者軀研制出獲頒成效

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放大字體  縮小字體    發(fā)布日期:2021-06-15  來源:儀器網(wǎng)  作者:Mr liao  瀏覽次數(shù):74
核心提示:碳化硅(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(dǎo)率高等優(yōu)異的綜合性能,在航空航天、核電、高速機車、武器裝備等關(guān)鍵領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。SiC陶瓷因其極高的熱穩(wěn)定性和強度,成型加工困難。? ? 目前,

? ? 碳化硅(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(dǎo)率高等優(yōu)異的綜合性能,在航空航天、核電、高速機車、武器裝備等關(guān)鍵領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。SiC陶瓷因其極高的熱穩(wěn)定性和強度,成型加工困難。

? ? 目前,國際上陶瓷材料的制備主要采用傳統(tǒng)的粉末成型方法,包括微粉制備、成型(壓延、擠塑、干壓、等靜壓、澆注、注射等方式)、燒結(jié)(熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、常壓燒結(jié)、氣氛壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)等方式)、加工等過程。最近30年,陶瓷材料新型制備工藝層出不窮,在各個環(huán)節(jié)上均有所突破,但仍存在局限性,制備溫度高(雖然添加燒結(jié)助劑可降低燒結(jié)溫度,但燒結(jié)助劑又會影響陶瓷的性能)、不易獲得均勻的化學(xué)成分與微觀結(jié)構(gòu)、難以進行精加工以及陶瓷材料高脆性難以解決等問題。

? ? 先進的陶瓷制備技術(shù)必須在原料制備、成型、燒結(jié)等方面有所突破。自1975年Yajima等利用聚碳硅烷制備出SiC陶瓷纖維后,先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷技術(shù)進入人們的視野。根據(jù)BCC Research調(diào)查報告,2017年全球陶瓷先驅(qū)體市場為4.376億美元(其中,SiC陶瓷先驅(qū)體占40.4%市場份額),預(yù)計到2022年將達到7.124億美元,年均增長10.2%。所謂先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷是首先通過化學(xué)合成方法制得可經(jīng)高溫?zé)峤廪D(zhuǎn)化為陶瓷材料的聚合物,經(jīng)成型后,再通過高溫轉(zhuǎn)化獲得陶瓷材料。其具有諸多優(yōu)點:分子的可設(shè)計性:可通過分子設(shè)計對先驅(qū)體化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和優(yōu)化,進而實現(xiàn)對陶瓷組成、結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控;良好的工藝性:陶瓷先驅(qū)體屬于有機高分子,繼承了高分子加工性好的優(yōu)點,例如可溶解浸漬、可紡絲、可模塑成型、可發(fā)泡、可3D打印等,因此能用于制備傳統(tǒng)粉末燒結(jié)工藝難以獲得的低維材料和復(fù)雜構(gòu)型,例如陶瓷纖維、陶瓷薄膜、復(fù)雜立體構(gòu)件等;可低溫陶瓷化,無需引入燒結(jié)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材料,從而解決陶瓷材料高脆性問題。

? ? 先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷技術(shù)可以靈活控制和改善陶瓷材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、相組成、原子分布和微結(jié)構(gòu)等,具有傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。以先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備陶瓷材料,其關(guān)鍵之處在于能否制備出合適的先驅(qū)體,這直接決定了是否能成功制備出優(yōu)異性能的陶瓷材料。目前成功開發(fā)并應(yīng)用的SiC陶瓷先驅(qū)體主要是固態(tài)聚碳硅烷(PCS)。但PCS作為SiC陶瓷先驅(qū)體仍存在不足,如PCS中C/Si為2,其熱解產(chǎn)物富碳,最終影響SiC陶瓷的性能;PCS陶瓷產(chǎn)率較低;其在室溫下為固體,用于形成復(fù)合材料中陶瓷基體時,浸漬過程中需要二甲苯、四氫呋喃等溶劑,而在裂解之前又需要蒸發(fā)這些溶劑,導(dǎo)致制備周期長和工藝繁瑣等。

? ? 近日,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所核能材料工程實驗室經(jīng)過研究,制備出一種流動性好(復(fù)數(shù)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(chǎn)率高(1600℃陶瓷產(chǎn)率達~79wt%)、陶瓷產(chǎn)物中C/Si為~1.1,且1500℃靜態(tài)氧化后質(zhì)量變化小于3%的液態(tài)超支化聚碳硅烷(LHBPCS)。樣品品質(zhì)獲得多個應(yīng)用單位的肯定。此外,該研究團隊在LHBPCS固化交聯(lián)機理上也有深入研究,能夠?qū)崿F(xiàn)其光固化成型和低溫?zé)峁袒尚?,凝膠化時間僅數(shù)分鐘,且結(jié)構(gòu)致密無泡孔。

? ? 相關(guān)研究成果發(fā)表在J. Eur. Ceram. Soc.、Adv. Appl. Ceram.、J. Am. Ceram. Soc.等期刊上。相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金重大研究計劃、中科院重點部署項目等的資助。

圖1.制備的LHBPCS及交聯(lián)固化與燒結(jié)后致密形貌

圖2.制備的LHBPCS在不同熱引發(fā)劑(TBPB)含量下交聯(lián)速率變化


 
 
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