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:热机械分析(TMA)。①原理:在程序控温下,测量陶瓷前驱体在受热过程中尺寸或形变随温度的变化。通过记录样品的膨胀、收缩或其他尺寸变化,可以了解其在不同温度下的热膨胀行为和结构变化。②应用:确定陶瓷前驱体的热膨胀系数,判断其在加热过程中是否发生相变、烧结等引起尺寸突变的现象。例如,在陶瓷前驱体的烧结过程中,TMA 可以监测其收缩行为,确定较适合烧结温度范围。采用 3D 打印技术与陶瓷前驱体相结合,可以制造出复杂形状的陶瓷构件。上海耐高温陶瓷前驱体纤维
研究陶瓷前驱体热稳定性的实验方法之一:光谱分析技术。①傅里叶变换红外光谱(FT-IR):用于分析陶瓷前驱体的化学键和官能团结构。通过比较不同温度下的 FT-IR 光谱,观察化学键的振动吸收峰的变化,了解前驱体在受热过程中化学键的断裂和重组情况,从而评估其热稳定性。例如,某些化学键的吸收峰在高温下减弱或消失,可能意味着这些化学键发生了断裂,前驱体的结构发生了变化。②拉曼光谱:与 FT-IR 类似,拉曼光谱也可以提供关于陶瓷前驱体化学键和结构的信息。通过分析拉曼光谱中特征峰的位置、强度和宽度等变化,研究前驱体在高温下的结构演变,判断其热稳定性。耐高温陶瓷前驱体高校和科研机构在陶瓷前驱体的研究方面取得了许多重要成果。
陶瓷前驱体燃料电池领域的应用案例如下:①陶瓷质子膜燃料电池:清华大学助理教授董岩皓与合作者提出界面反应烧结概念,设计开发了可控表面酸处理和共烧技术,让氧气电极层和电解质层之间实现活性键合,改善了陶瓷质子膜燃料电池的电化学性能和稳定性。该器件在低至 350 摄氏度时仍具有鲜明的性能,在 600 摄氏度、450 摄氏度和 350 摄氏度的条件下,分别实现每平方厘米 1.6 瓦、每平方厘米 650 毫瓦和每平方厘米 300 毫瓦的峰值功率密度。②固体氧化物燃料电池:采用金属醇盐、金属酸盐或金属卤化物等作为陶瓷前驱体,通过溶胶 - 凝胶法、水热法等制备技术,可以合成具有特定微观结构和性能的陶瓷电解质和电极材料。例如,以钇稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷前驱体制备的电解质,具有良好的氧离子导电性,能够在高温下实现高效的氧离子传导,提高燃料电池的性能。③锂离子电池领域-正极材料:董岩皓与合作者提出渗镧均匀包覆和陶瓷粉体行星式离心解团等多项创新技术,阐述了应力腐蚀断裂主导的衰减机理,并修正传统理论框架下的脆性机械断裂认知。他们以锂离子电池中常用的正极材料氧化锂钴为例,展示了有效的表面钝化、抑制表面退化,以及改善的电化学性能,证明其高电压稳定循环较大可达到 4.8 伏
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,其中聚合物前驱体包含下述几项:①聚碳硅烷:结构中含有硅原子和碳原子相间成键,热解后能得到 SiC 陶瓷。应用于纳米陶瓷微粉、陶瓷薄膜、涂层、多孔陶瓷等材料的制备,合成方法有脱氯和热解重排法、开环聚合法、缩聚合成法和硅氢加成法等。②聚硅氮烷:结构以 Si-N 键为主链,热解后可得到 Si₃N₄或 Si-C-N 陶瓷,在信息、电子、航空、航天等领域应用较多。③聚硼氮烷:结构中以 B-N 键为主链,热解后能得到 B₃N₄陶瓷。氮化硼陶瓷具有密度小、熔点高、高温力学性能好、介电性能优良、具有润滑性等特点,是飞行器透波结构件的推荐材料。④元素掺杂的陶瓷前驱体:含钛、锆、铪、铝、铌、钼等异质元素,可解决陶瓷功能单一化的问题,能制备出难熔金属碳化物、硼化物和氮化物。
含有稀土元素的陶瓷前驱体可以改善陶瓷的光学性能,用于制造光学器件。
从电磁屏蔽材料和复杂结构部件制造这两个方面来说,以聚碳硅烷 / 烯丙基酚醛(PCS/APR)为聚合物陶瓷前驱体,制备的多层 SiC/CNT 复合膜,在有 50μm 的厚度下,具有高达 73dB 的电磁屏蔽效能。烧蚀实验表明,复合膜成功克服了碳纳米管膜易被烧蚀氧化的特点,且在烧蚀后,仍然具有 30dB 电磁屏蔽效能,满足电磁屏蔽材料的屏蔽效能商用标准。陶瓷增材制造技术通常采用陶瓷前驱体为原料,通过光固化等增材制造技术得到具有复杂精细结构的陶瓷坯体,再经过脱脂、烧结等工艺,得到精密陶瓷部件。光固化陶瓷 3D 打印技术可以制造出既轻又强的部件,还能实现复杂结构的制造,为设计师提供了更大的自由度。阻抗谱分析可以研究陶瓷前驱体的电学性能和导电机制。上海耐高温陶瓷前驱体纤维
微波烧结技术能够快速加热陶瓷前驱体,缩短烧结时间,提高生产效率。上海耐高温陶瓷前驱体纤维
陶瓷前驱体具有耐高温、抗氧化、耐烧蚀、低密度和高耐磨性等特点,可用于制备各种性能优良的陶瓷基耐高温复合材料,与增强纤维有良好的润湿性。其在高温下转化成的陶瓷基体,具有良好的结构稳定性。陶瓷前驱体的应用方向包括光学领域、能源领域、密封材料领域、生物医学领域等。例如,在光学领域,陶瓷前驱体可用于制备光学薄膜、透镜等;在能源领域,可用于制备太阳能电池、燃料电池等;在密封材料领域,可用于制备密封垫圈、密封环等;在生物医学领域,可用于制备人工关节、牙科种植体等。上海耐高温陶瓷前驱体纤维
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