攻關克難寧波材料所碳化硅先驅體研究獲進展

發布時間：2020-01-02 16:28 原文鏈接：攻關克難寧波材料所碳化硅先驅體研究獲進展

　　碳化硅（SiC）陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐輻照、強度大、硬度高、熱膨脹率小等優異的綜合性能，在能源安全領域扮演著重要的角色。目前陶瓷材料包括SiC陶瓷的成型主要采用傳統的粉末方法，即從微粉制備、成型（包括壓延、擠塑、干壓、等靜壓、澆注、注射等方式）、燒結到加工這一過程。近30年來，陶瓷材料粉末成型新工藝層出不窮，在各個環節上都有所突破，但仍存在這一傳統方法難以超越的局限性，主要包括難以獲得均勻的化學成分、可精加工性差、不易制造復雜構件、難以解決陶瓷材料本征脆性等。陶瓷材料在加工成型方面的短板已影響到其應用領域的拓展。因此，在優化陶瓷傳統成型工藝的同時研究陶瓷新型成型技術已成為陶瓷材料重要的研究方向之一。

　　先驅體轉化陶瓷是含硅、硼、碳、氮、氧等元素的有機物通過裂解轉化形成的陶瓷材料。其具有易加工成型、陶瓷化溫度低、陶瓷組成均一、可引入增強相且可通過分子設計對先驅體化學組成與結構進行調控進而實現對陶瓷組成、結構與性能的優化等優點，是制備高性能陶瓷材料的一項變革性技術。先驅體轉化陶瓷對先驅體分子結構設計、元素組成控制、陶瓷轉化過程的物理化學行為以及共價鍵陶瓷的晶形相變等都提出了挑戰。中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進能源材料工程實驗室經過規劃論證，將“高性能先驅體分子結構設計與陶瓷轉化”作為重點學科發展方向之一，在中科院和寧波市“3315計劃”A類的支持下，著重對先驅體的定制化、高效轉化和工程化開展攻關，在2019年已取得以下階段性進展。

　　通過SiC陶瓷先驅體的定制化，實驗室在固態聚碳硅烷和液態聚碳硅烷的結構設計與合成工藝方面進行了深入研究，所合成的液態聚碳硅烷具有陶瓷產率高（1000℃下陶瓷產率可達78%）、存儲時間長（>6個月）、氧含量低（～0.1wt%）、流動性好（復數粘度～0.01Pa·S）的特點，且通過結構設計結合交聯工藝可實現液態聚碳硅烷瞬間或數分鐘內交聯固化成型。固態聚碳硅烷具有支化度低、可紡性好等特性，能夠滿足纖維等成型要求（Appl. Organomet. Chem., 2019；33(2):e4720；Ceram. Int., 2019, 45(13):16380–16386；J. Am. Ceram. Soc., 2019, 102(3):1041–1048；申請ZL：CN201910430199.4、CN201911016657.6、CN201911016637.9）。

　　結合先驅體結構定制化和良好的可熔可溶性質成型，實驗室實現了SiC先驅體高效轉化為中空SiC纖維、低熱導多孔SiC泡沫、復雜3D打印SiC構件、靜電紡絲SiC纖維、高強度復合材料等。使SiC陶瓷從“單一應用型”向“綜合服務型”轉變，實現價值最大化、功能多樣化、產品差異化，對相關領域起到促進推動作用（Ceram. Int., 2019, 45(18): 24007–24013；J. Eur. Ceram. Soc., 2019, 39(6):2028–2035；Adv. Appl. Ceram., 2019, 10.1080/17436753.2019.1707413；申請ZL：CN201910090356.1）。

　　近期，先進能源工程實驗室在前期實驗室小試的基礎上，自主設計并成功搭建了固態聚碳硅烷和液態聚碳硅烷兩個中試平臺，這為后續工程化和應用研究奠定了堅實的基礎。其中液態先驅體中試平臺已通過運行調試，成功合成出公斤級聚碳硅烷目標產物。

　　上述工作獲得寧波市“3315”創新團隊項目、中科院戰略性先導科技專項、中科院重點部署項目等的支持。