陶瓷前驅體的選擇需要考慮化學組成與純度:①目標陶瓷的化學組成:要確保前驅體的化學組成與目標陶瓷相匹配,以保證能得到期望的陶瓷材料。如制備氧化鋁陶瓷,需選擇含鋁元素的合適前驅體。②純度要求:前驅體的純度對陶瓷性能影響明顯,高純度的前驅體可減少雜質對陶瓷性能的不良影響,如降低電導率、強度等,像電子陶瓷領域,通常要求前驅體純度極高。同時也需考慮物理性質:①形態(tài)與粒度:前驅體的形態(tài)(如粉末、溶液、膠體等)和粒度分布會影響后續(xù)加工和陶瓷的微觀結構。粉末狀前驅體的粒度細且分布均勻,有利于提高陶瓷的致密度和性能。②溶解性與分散性:在制備過程中,若需要將前驅體溶解或分散在溶劑中,其溶解性和分散性就很重要。良好的溶解性和分散性可保證前驅體在體系中均勻分布,如溶膠 - 凝膠法中,金屬醇鹽需能在溶劑中充分溶解并均勻分散。③熱穩(wěn)定性:前驅體應具有一定的熱穩(wěn)定性,在后續(xù)熱處理過程中不發(fā)生過早分解或其他副反應,否則會影響陶瓷的形成和性能。陶瓷前驅體的回收和再利用是當前材料科學領域的研究熱點之一。內蒙古特種材料陶瓷前驅體性能
陶瓷前驅體的制備方法主要有溶膠 - 凝膠法、聚合物前驅體法和有機 - 無機雜化法等。溶膠 - 凝膠法是制備氧化鋯、氧化鉿納米粉體的主要技術路線,優(yōu)點是大幅拓展了陶瓷產物的種類,可制備出難熔金屬碳化物、硼化物和氮化物,但也存在有效濃度低、穩(wěn)定性差、易沉降和析出、不易儲存等缺點。聚合物前驅體法包括金屬有機聚合物法和金屬雜化聚合物法,優(yōu)點是可以實現(xiàn)對聚合物分子結構的多樣化設計,具有不需要碳熱或硼熱還原就能得到無氧難熔金屬陶瓷的優(yōu)越性,容易實現(xiàn)對無氧陶瓷組成的控制等,但也存在 M-B 鍵多為離子鍵,穩(wěn)定性較差等問題。有機 - 無機雜化法是將金屬或其氧化物粉體、含金屬的化合物分散于溶液之中,經后處理、熱解制備出超高溫陶瓷,優(yōu)點是原料來源易得到、成本低廉,溶劑無毒性、對環(huán)境無污染,制備工藝簡單、周期短且可控程度高,對試驗設備要求低,但也存在此法制備的前驅體為非均相體系,穩(wěn)定性差,所得陶瓷元素分布不均勻等缺點。內蒙古特種材料陶瓷前驅體性能阻抗譜分析可以研究陶瓷前驅體的電學性能和導電機制。
目前,陶瓷前驅體的研究在國內外都受到了廣泛的關注。國內技術較日本、德國等國家仍處于追趕階段,在陶瓷前驅體的開發(fā)技術與應用領域的研究也在持續(xù)深入,還存在著研究能力較弱,研究成果產業(yè)化轉化實力不足等諸多問題。未來,陶瓷前驅體的發(fā)展趨勢將向更長時間、更高服役溫度、更高力學強度方向發(fā)展,為此亟需開展無氧陶瓷前驅體、多元復相陶瓷前驅體等新型超高溫陶瓷前驅體的開發(fā)。同時,隨著科技的不斷進步,陶瓷前驅體的制備方法和應用領域也將不斷拓展和創(chuàng)新。
從電磁屏蔽材料和復雜結構部件制造這兩個方面來說,以聚碳硅烷 / 烯丙基酚醛(PCS/APR)為聚合物陶瓷前驅體,制備的多層 SiC/CNT 復合膜,在有 50μm 的厚度下,具有高達 73dB 的電磁屏蔽效能。燒蝕實驗表明,復合膜成功克服了碳納米管膜易被燒蝕氧化的特點,且在燒蝕后,仍然具有 30dB 電磁屏蔽效能,滿足電磁屏蔽材料的屏蔽效能商用標準。陶瓷增材制造技術通常采用陶瓷前驅體為原料,通過光固化等增材制造技術得到具有復雜精細結構的陶瓷坯體,再經過脫脂、燒結等工藝,得到精密陶瓷部件。光固化陶瓷 3D 打印技術可以制造出既輕又強的部件,還能實現(xiàn)復雜結構的制造,為設計師提供了更大的自由度。生物陶瓷前驅體可以用于制備人工骨骼和牙齒等生物醫(yī)學材料,具有良好的生物相容性。
陶瓷前驅體在能源領域的應用面臨諸多挑戰(zhàn):材料合成與制備方面。①精確控制化學組成和微觀結構:要實現(xiàn)陶瓷前驅體在能源應用中的高性能,需精確控制其化學組成和微觀結構。例如,在固體氧化物燃料電池中,電解質和電極材料的離子電導率、電子電導率等性能與化學組成和微觀結構密切相關。但在實際合成過程中,難以精確控制各元素的比例和分布,以及納米級的微觀結構,這會導致材料性能的波動和不穩(wěn)定。②提高制備工藝的可重復性和規(guī)?;a能力:目前一些先進的陶瓷前驅體制備技術,如溶膠 - 凝膠法、水熱法等,雖然能夠制備出高性能的陶瓷材料,但這些方法往往工藝復雜、成本較高,且難以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產。同時,制備過程中的微小變化可能會對材料性能產生較大影響,導致工藝的可重復性較差。國家出臺了一系列政策支持陶瓷前驅體相關產業(yè)的發(fā)展。內蒙古特種材料陶瓷前驅體性能
研究陶瓷前驅體的降解行為對于其在環(huán)境友好型材料中的應用具有重要意義。內蒙古特種材料陶瓷前驅體性能
陶瓷前驅體在能源領域的應用面臨諸多挑戰(zhàn):性能優(yōu)化方面。①提高離子和電子電導率:對于陶瓷前驅體在燃料電池、鋰離子電池等領域的應用,高離子和電子電導率是關鍵。然而,許多陶瓷材料本身的電導率相對較低,需要通過摻雜、優(yōu)化微觀結構等手段來提高電導率,但目前仍難以達到理想的水平。②增強穩(wěn)定性和耐久性:在能源應用中,陶瓷前驅體材料需要在長期的使用過程中保持穩(wěn)定的性能。例如,在燃料電池中,材料需要承受高溫、高濕度、強氧化還原等惡劣環(huán)境,容易發(fā)生結構變化、化學腐蝕等問題,導致性能下降。在鋰離子電池中,隨著充放電循環(huán)的進行,陶瓷隔膜和電極材料可能會出現(xiàn)破裂、粉化等現(xiàn)象,影響電池的壽命和安全性。內蒙古特種材料陶瓷前驅體性能