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碳化硅復合材料綠色低成本技術研發取得進展

關鍵詞 碳化硅 , 碳化硅陶瓷|2018-05-21 10:00:34|來源 中國科學院
摘要 先驅體轉化碳化硅陶瓷基復合材料(CMCs)主要應用于制備具有耐高溫、抗氧化、耐磨性好、熱膨脹率小、導電導熱性好、硬度高和耐腐蝕等優異性能的,并可近凈尺寸成型的高性能陶瓷材料和纖維增...

  先驅體轉化碳化硅陶瓷基復合材料(CMCs)主要應用于制備具有耐高溫、抗氧化、耐磨性好、熱膨脹率小、導電導熱性好、硬度高和耐腐蝕等優異性能的,并可近凈尺寸成型的高性能陶瓷材料和纖維增強陶瓷基復合材料;目前已被廣泛應用于高端科技與國防軍事領域,如空間遙感成像光學系統輕量化支撐結構件、航空航天發動機熱端部件、可重復使用的航天運載器熱防護材料、高超音速運輸推進系統等。在民用領域,先驅體轉化結構材料也逐步體現其巨大經濟價值和不可替代的作用,如飛機、高鐵、汽車等現代運輸系統剎車盤、高溫燃汽輪機熱端部件、高溫氣體余熱回收、工業粉塵過濾、耐腐蝕可再生催化劑載體、大型高溫系統加熱部件、冶金高溫爐用碳套等。隨著軍民融合工作的深入推進,先驅體轉化高性能結構陶瓷材料制備技術將會更趨綠色化、低成本化,其產品將會更加廣泛滲透到經濟社會體系的各個方面,對經濟發展的推動作用將越來越大。

  制備CMCs基體的先驅體至關重要,從工藝流程看出,理想的先驅體應兼具“三低”(低粘度、低溫交聯、低收縮),“二無”(無雜質、無發泡),“一高”(高陶瓷收率)的特點。目前,CMCs中以Cf/SiC和SiCf/SiC體系發展最快,國內主要以固態聚碳硅烷(PCS)作為SiC的先驅體,存在的不足是:需要溶解于有機溶劑,降低了浸漬效率,帶來了污染;PCS本身不能交聯,熱解后發泡;PCS陶瓷收率不高,約55%;價格較為昂貴,3000~4000元/公斤。同時,SiC基復合材料的最佳服役溫度在1600℃左右,對于服役溫度為1000~1300℃的構件,材料雖然能很好地滿足使用要求,但會造成性能冗余。過高的制備成本限制了其應用范圍的拓展和批量生產,例如高溫結構、防熱部件、高溫化學泵、閥門應用等領域,急需找到高性價比的替代品。通過LC3計劃,美國最先開展了CMCs低成本化的研究,確定了適用于1300℃以下的SiOC基體系,并開發了適用于PIP工藝的先驅體產品。

  中國科學院寧波材料技術與工程研究所核能材料工程實驗室在“十二五”期間承擔了中科院核能先導專項任務,并對高性能碳化硅先驅體材料開展了深入研究。在制備前期聚碳硅烷的研究工作中,發現常規合成過程中會產生大量的小分子液態副產物。近日,在綠色制造和低成本化研究思路的指導下,團隊對上述液態副產物開展再利用的研究。在該研究中,實驗室科研人員對液態副產物的組成結構進行分析,確定其為重均分子量在200~800之間、主鏈為Si-C結構的液態低分子量PCS。進一步,向其中引入“C=C”活性基團,制備了可轉化為SiOC陶瓷的液態先驅體(LC-PCS)。LC-PCS具有如下特征:①室溫粘度約30mPa·s;②在400℃以下可充分交聯;③陶瓷收率大于70%。最后,分別以LC-PCS和PCS為先驅體,通過PIP工藝制備CMCs。結果表明,得到致密樣品所需的“浸漬-裂解”周期從14個降低到10個。可見,新的合成路徑從先驅體本身和復材制備過程兩個環節降低了CMCs的成本,制備了可在1000~1300℃服役的高性價比CMCs。液態副產物的再利用也實現了PCS的綠色合成,體現了環境效益。該項研究成果對于軍用和核用高端材料進入民用領域鋪平了道路。

  寧波材料所對該綠色低成本化技術已經進行了專利保護(201810433805.3),并積極推進下游產品的對接。以上工作得到了國家自然科學基金(91426304)以及中科院戰略先導科技專項(XDA03010305)的資助支持。

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圖1(a)LC-PCS;(b)交聯固化產物;(c)1200℃裂解產物;(d)PCS和LC-PCS的TG曲線 

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圖2(a)LC-PCS和PCS溶液浸漬周期-增重曲線;(b)LC-PCS為先驅體所制得2D Cf/SiOC 

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