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3D新聞

寧波材料所碳化硅先驅(qū)體研究取得進展

3D打印商情 來源:寧波材料所2020-03-20 我要評論(0 )   

  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

  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)。


  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)。


  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(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。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。


圖1 基于先驅(qū)體轉(zhuǎn)化制備SiC材料:(a)靜電紡絲SiC纖維;(b)中空SiC纖維;(c)3D打印SiC先驅(qū)體;(d)3D打印SiC先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷;(e)多孔SiC泡沫;(f)多孔中空SiC纖維


圖2 實驗室成功搭建液態(tài)聚碳硅烷中試裝置,制備出公斤級產(chǎn)品

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