前驱体即转化为最终产物状态之前存在的一个状态,陶瓷前驱体可以看做是陶瓷的前体,通过光、热、辐照等手段可以转化为相应的陶瓷。
前驱体可以在合成阶段通过分子设计添加不同元素,形成多种类型的分子结构,赋予了前驱体存在形式的多样性,可以是小分子,也可以是高分子;可以是固体,也可以是液体。通过前驱体合成结合陶瓷化过程的调控,我们便可以设计目标陶瓷产物。本文列举两类在超高温陶瓷领域应用比较广泛的前驱体,SiC及ZrC/SiC复相陶瓷前驱体。
SiC陶瓷的其中一种前驱体聚碳硅烷合成过程如图3所示,以二甲基二氯硅烷为原料通过钠缩法制备聚二甲基硅烷,在高温下经过Kumada重排获得主链为Si-C结构的聚合物,为SiC的前驱体。
前驱体经过交联和固化后裂解,获得SiC陶瓷。这项技术由Yajima教授开创,并借此奠定了前驱体法制备SiC陶瓷纤维的研究基础。时至今日,前驱体法仍然是SiC陶瓷的重要制备方法。
对于复相陶瓷而言,如何获得两相陶瓷的连续均匀分散是保证陶瓷性能的一项重要指标,赵彤研究员等以二氯二茂锆、甲基苯基二氯硅烷为锆源和硅源,与炔锂盐缩合制备了ZrC/SiC聚合物前驱体ZS,在前驱体阶段通过合成设计将Zr、Si元素分子级别分布,所制备的陶瓷能轻松实现百纳米级别的均匀分散。
正是由于前驱体合成的多样性,赋予了其陶瓷产物性能、结构和光、电、热性能的可调性,千变万化。我们大家可以获得陶瓷纤维、陶瓷基复材、3D打印陶瓷、陶瓷粉体块体等等。
正所谓不想做化学家的科普文作者不是好厨师,让我们给前驱体一点生活性的描述。做烘焙的小伙伴们会比较熟悉这个过程,端进烤箱的那一盆混合的面糊糊,就可以称之为面包这一类的前驱体。
通过调整原料配方,你可以做出提子、红豆“改性”的吐司面包,加入打发的蛋白调节孔隙率可以做出戚风蛋糕,大量的奶油奶酪控制烤制温度能够得到黑黑又美味的巴斯克蛋糕,调节“固化程序”,低温烘干面糊的小圆饼可以烤出来外脆内软的马卡龙。最后祝大家都能在工作之余做出自己最喜欢的小甜点。
作为多种陶瓷基新兴材料的关键原材料,在新材料行业加快速度进行发展壮大、陶瓷基材料需求一直增长的情况下,陶瓷前驱体的市场空间不断扩大。
目前,国内技术较日本、德国等国家仍处于追赶阶段,在陶瓷前驱体的开发技术与应用领域的研究也在持续深入,还存在着研究能力较弱,研究成果产业化转化实力不足等诸多问题。我们坚信,通过践踏实地的不懈奋斗,未来将收获属于我们的一片天空。