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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(yōu)異的綜合性能，在能源安全領(lǐng)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(tǒng)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(jié)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(huán)節(jié)上都有所突破，但仍存在這一傳統(tǒng)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(gòu)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(lǐng)域的拓展。因此，在優(yōu)化陶瓷傳統(tǒng)成型工藝的同時研究陶瓷新型成型技術(shù)已成為陶瓷材料重要的研究方向之一。
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷是含硅、硼、碳、氮、氧等元素的有機物通過裂解轉(zhuǎn)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(qū)體化學組成與結(jié)構(gòu)進行調(diào)控進而實現(xiàn)對陶瓷組成、結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化等優(yōu)點，是制備高性能陶瓷材料的一項變革性技術(shù)。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷對先驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)設計、元素組成控制、陶瓷轉(zhuǎn)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(zhàn)。
中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進能源材料工程實驗室經(jīng)過規(guī)劃論證，將“高性能先驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)設計與陶瓷轉(zhuǎn)化”作為重點學科發(fā)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(qū)體的定制化、高效轉(zhuǎn)化和工程化開展攻關(guān)，在2019年已取得以下階段性進展。
通過SiC陶瓷先驅(qū)體的定制化，實驗室在固態(tài)聚碳硅烷和液態(tài)聚碳硅烷的結(jié)構(gòu)設計與合成工藝方面進行了深入研究，所合成的液態(tài)聚碳硅烷具有陶瓷產(chǎn)率高（1000℃下陶瓷產(chǎn)率可達78%）、存儲時間長（>6個月）、氧含量低（～0.1wt%）、流動性好（復數(shù)粘度～0.01Pa·S）的特點，且通過結(jié)構(gòu)設計結(jié)合交聯(lián)工藝可實現(xiàn)液態(tài)聚碳硅烷瞬間或數(shù)分鐘內(nèi)交聯(lián)固化成型。固態(tài)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；申請專利：CN201910430199.4、CN201911016657.6、CN201911016637.9）。
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結(jié)合先驅(qū)體結(jié)構(gòu)定制化和良好的可熔可溶性質(zhì)成型，實驗室實現(xiàn)了SiC先驅(qū)體高效轉(zhuǎn)化為中空SiC纖維、低熱導多孔SiC泡沫、復雜3D打印SiC構(gòu)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(zhuǎn)變，實現(xiàn)價值最大化、功能多樣化、產(chǎn)品差異化，對相關(guān)領(lǐng)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；申請專利：CN201910090356.1）。
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近期，先進能源工程實驗室在前期實驗室小試的基礎(chǔ)上，自主設計并成功搭建了固態(tài)聚碳硅烷和液態(tài)聚碳硅烷兩個中試平臺，這為后續(xù)工程化和應用研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。其中液態(tài)先驅(qū)體中試平臺已通過運行調(diào)試，成功合成出公斤級聚碳硅烷目標產(chǎn)物。
上述工作獲得寧波市“3315”創(chuàng)新團隊項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、中科院重點部署項目等的支持。
來源：寧波材料所
