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,其中金属有机前驱体包含下述:①金属醇盐:如钛酸丁酯等,是制备钛酸盐陶瓷的常用前驱体。在溶胶 - 凝胶法中,金属醇盐通过水解和缩聚反应,可形成金属氧化物陶瓷。以钛酸丁酯为前驱体制备二氧化钛陶瓷时,钛酸丁酯在水和催化剂的作用下发生水解,生成氢氧化钛,再经过加热脱水等过程,得到二氧化钛陶瓷。②金属有机框架(MOFs):具有多孔结构和可调节的化学组成,可作为金属氧化物或金属陶瓷的前驱体。MOFs 在高温下分解,能够产生特定组成和形貌的金属氧化物或金属陶瓷材料。以陶瓷前驱体为原料制备的陶瓷基复合材料,在汽车刹车片和航空航天结构件等方面有重要应用。内蒙古陶瓷涂料陶瓷前驱体
后处理过程中,为了提高陶瓷材料的性能,可以采用以下3种方法:①热处理:烧结后的陶瓷材料内部可能存在内应力,通过适当的热处理可以消除这些内应力,提高材料的韧性和抗疲劳性能。通过控制热处理的温度和时间,可以改变陶瓷材料的微观结构,如晶粒尺寸、相组成等,从而优化材料的性能。②:增韧处理:利用某些陶瓷材料在特定条件下发生相变时产生的体积变化和应力,来阻碍裂纹的扩展,从而提高陶瓷的韧性,如氧化锆陶瓷的相变增韧。在陶瓷基体中添加纤维或颗粒状的增强相,如碳纤维、碳化硅颗粒等,通过纤维或颗粒与基体之间的界面结合和相互作用,提高陶瓷材料的强度和韧性。③化学处理:通过化学溶液处理、气相沉积等方法,在陶瓷表面引入特定的化学基团或涂层,改变陶瓷表面的化学性质,提高其耐腐蚀性、生物相容性等性能。将陶瓷材料浸泡在含有特定离子的溶液中,使陶瓷表面的离子与溶液中的离子发生交换,从而改变陶瓷表面的成分和性能。湖北陶瓷树脂陶瓷前驱体应用领域选择合适的陶瓷前驱体是制备高性能陶瓷的关键步骤之一。
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。
以下是一些可以辅助研究陶瓷前驱体热稳定性的分析技术:气相色谱 - 质谱联用(GC-MS)。①原理:将气相色谱的高效分离能力与质谱的定性和定量分析能力相结合,对陶瓷前驱体在热分解过程中产生的挥发性产物进行分析。通过鉴定和定量这些挥发性产物,可以了解前驱体的热分解机制和反应路径。②应用:确定陶瓷前驱体热分解过程中产生的挥发性产物的种类和含量,推断其热分解反应的机理。例如,在研究含有机成分的陶瓷前驱体时,GC-MS 可以分析其热分解产生的有机气体,从而了解有机成分的分解情况。热重分析可以确定陶瓷前驱体的热分解温度和陶瓷化产率。
陶瓷前驱体在航天领域具有广阔的应用前景,主要体现在材料性能提升:①高温稳定性:随着航天技术的发展,航天器在大气层内高速飞行以及进入外层空间时会面临极端高温环境。陶瓷前驱体可制备出超高温陶瓷材料,如碳化铪、碳化锆等,这些材料具有极高的熔点和优异的高温稳定性,能有效保护航天器在高温下的结构完整性。②抗氧化性能:一些陶瓷前驱体制备的陶瓷基复合材料在高温下具有良好的抗氧化性能。如采用前驱体浸渍裂解工艺制备的 C/SiBCN 材料,比 C/SiC 具有更优异的高温抗氧化性能,在 1400℃下空气中的氧化动力学常数 kp 明显低于 SiC 陶瓷。③轻量化:陶瓷前驱体可以通过精确的分子设计和制备工艺,实现材料的轻量化。在航天领域,减轻航天器的重量对于提高其性能和降低发射成本至关重要。采用陶瓷前驱体制备的陶瓷基复合材料具有高比强度和比模量,在保证结构强度的同时,能够***减轻航天器的重量。陶瓷前驱体转化法制备的碳化硼陶瓷具有高硬度和低密度的特点,是一种理想的防弹材料。山西陶瓷涂料陶瓷前驱体复合材料
溶胶 - 凝胶法制备陶瓷前驱体具有工艺简单、成本低廉等优点。内蒙古陶瓷涂料陶瓷前驱体
陶瓷前驱体在航天领域有广泛的应用,从热防护系统角度来讲:①陶瓷基复合材料热结构部件:如 C/SiC 复合材料,可用于飞行器的热防护系统头锥、迎风面大面积部位、翼前缘和体襟翼等。通过前驱体浸渍裂解工艺制备的 C/SiBCN 材料,比 C/SiC 具有更优异的高温抗氧化性能。在 1400℃下空气中的氧化动力学常数 kp 明显低于 SiC 陶瓷,且 C/SiBCN 复合材料室温下弯曲强度 489MPa,在 1600℃弯曲强度仍达到 450MPa 以上。②超高温陶瓷防热材料:利用陶瓷前驱体可制备超高温纳米复相陶瓷,如 (Ti,Zr,Hf) C/SiC 陶瓷。采用乙烯基聚碳硅烷与含钛、锆、铪的无氧金属配合物反应合成的单源先驱体,经放电等离子烧结技术制备出的此类陶瓷,在 2200℃的烧蚀实验中表现出极低的线烧蚀率,为 - 0.58μm/s。内蒙古陶瓷涂料陶瓷前驱体