陶瓷前驱体是获得目标陶瓷产物前的一种存在形式,大多是以有机 - 无机配合物或混合物固体存在,也有部分是以溶胶形式存在。一般先通过合成一定组成的聚合物,聚合物再经高温裂解得到陶瓷。使用陶瓷前驱体可以制备出高硬度、高温稳定性、化学稳定性、绝缘性、耐磨性等优异性能的先进陶瓷材料。此外,相较于先进陶瓷材料,陶瓷前驱体可以实现多种成型工艺,如注模压制、离子蒸发沉积、喷雾干燥等,制备出多种形态的陶瓷材料,如薄膜、涂层、纤维、多孔体等,满足不同领域的特殊需求。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。北京耐高温陶瓷前驱体应用领域
研究陶瓷前驱体热稳定性的实验方法之一:热分析技术。①热重分析(TGA):通过测量陶瓷前驱体在受热过程中的质量变化,来研究其热分解、氧化等反应。可以获得前驱体的起始分解温度、分解速率、分解产物以及残留量等信息,从而评估其热稳定性。例如,若前驱体在较低温度下就发生明显的质量损失,说明其热稳定性较差。②差示扫描量热法(DSC):测量陶瓷前驱体在加热或冷却过程中与参比物之间的热量差,能够检测到前驱体发生的相变、结晶、熔融等热事件,确定其热转变温度和热效应大小。根据热转变温度的高低和热效应的强弱,可以判断前驱体的热稳定性。甘肃耐高温陶瓷前驱体涂料金属有机陶瓷前驱体能够制备出兼具金属和陶瓷特性的复合材料,应用于航空发动机等领域。
陶瓷前驱体可用于制备软磁陶瓷材料,如铁氧体陶瓷前驱体。软磁陶瓷材料具有高磁导率、低矫顽力和低损耗等特点,常用于制作电感器、变压器、磁头等电子元件,在电力电子、通信等领域有重要应用。部分陶瓷前驱体可用于制备硬磁陶瓷材料,如钡铁氧体(BaFe₁₂O₁₉)、锶铁氧体(SrFe₁₂O₁₉)等。硬磁陶瓷材料具有较高的剩磁和矫顽力,能够长期保持磁性,常用于制造永磁电机、扬声器、磁传感器等器件。一些陶瓷前驱体材料具有温度敏感特性,可用于制备温度传感器。例如,热敏陶瓷前驱体可以通过测量其电阻随温度的变化来实现对温度的精确测量和控制,广泛应用于工业自动化、家电、汽车等领域。
陶瓷前驱体在航天领域具有广阔的应用前景,主要体现在制备工艺改进:①快速成型:近年来,陶瓷前驱体的快速成型技术得到了发展。如北京理工大学张中伟教授团队开发的具有原位自增密的陶瓷基复合材料快速制备技术 ViSfP-TiCOP,大幅缩减了工艺周期,实现了陶瓷基复合材料的低成本、高通量及快速化制备。②复杂结构制造:陶瓷前驱体可用于制造复杂形状的航天部件。通过增材制造技术,如光固化 3D 打印等,可以直接将陶瓷前驱体转化为具有复杂内部结构和精细外形的陶瓷部件,为航天部件的设计和制造提供了更大的自由度,能够满足航天器对特殊结构和功能的需求。通过 X 射线衍射分析可以研究陶瓷前驱体在热处理过程中的相转变行为。
热重分析(TGA)实验中,升温速率对陶瓷前驱体热稳定性研究有以下几方面影响:①对失重温度的影响:较高的升温速率会使陶瓷前驱体的失重温度向高温方向移动。这是因为在快速升温过程中,样品内部的温度梯度较大,传热需要一定的时间,导致样品表面和内部的反应不同步。②对失重速率的影响:升温速率越快,失重速率通常也会增大。因为在快速升温时,陶瓷前驱体内部的反应可能在较短时间内集中进行,导致失重速率加快。比如,在陶瓷前驱体的热分解反应中,较高的升温速率可能使分解反应在更短的时间内达到较高的分解速率。③对残余物含量的影响:不同的升温速率可能会导致残余物的含量有所不同。一般来说,升温速率较快时,可能会使某些反应不完全,从而影响残余物的含量。④对热重曲线形状的影响:较大的升温速率会使TGA曲线变得更加陡峭,而较小的升温速率则使曲线更加平缓。这是因为较快的升温速率使得样品在短时间内经历更大的温度变化,从而加速了质量的损失。此外,升温速率快往往不利于中间产物的检出,使热重曲线的拐点不明显;升温速率慢,则可以显示热重曲线的全过程。陶瓷前驱体的流变性能对其成型工艺和产品的质量有重要影响。甘肃耐高温陶瓷前驱体涂料
陶瓷前驱体制备的多孔陶瓷材料具有高比表面积和良好的吸附性能,可用于废水处理和气体净化。北京耐高温陶瓷前驱体应用领域
陶瓷前驱体种类繁多,包括超高温陶瓷(ZrC、ZrB₂、HfC、HfB₂)前驱体聚合物、聚碳硅烷、聚碳氮烷、元素掺杂的聚碳硅烷、反应型含硅硼氮单源陶瓷前驱体以及其他无机或有机前驱体、混合有机前驱体等。超高温陶瓷前驱体是指通过热解可以生成金属碳化物和硼化物等超高温陶瓷的一类聚合物。聚碳硅烷是指结构中含有硅原子和碳原子相间成键,并且热解后能得到 SiC 陶瓷的一类聚合物的总称,广泛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。聚硅氮烷是指结构中以 Si-N 键为主链,并且热解后能得到 Si₃N₄或 Si-C-N 陶瓷的一类聚合物的总称,广泛应用于信息、电子、航空、航天等领域。北京耐高温陶瓷前驱体应用领域
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