傳統(tǒng)陶瓷部件的制備工藝需要復(fù)雜的高能耗燒結(jié)工藝和后處理工藝，復(fù)雜構(gòu)件成型困難和高昂的后處理加工限制其在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。通過聚合物先驅(qū)體的合成、塑形、交聯(lián)和熱解的過程來制備聚合物衍生陶瓷（Polymer Derived Ceramics，PDCs），可以在很大程度上降低成型成本，同時帶來近凈成形、復(fù)雜構(gòu)型易成型、元素可調(diào)性等優(yōu)勢。在聚合物先驅(qū)體中，聚SiBCO陶瓷先驅(qū)體聚硼硅氧烷由于成本相對其他先驅(qū)體（聚硅氮烷，聚硼硅氮烷）較低，能明顯降低SiBCO陶瓷的制造成本。而對聚硼硅氧烷元素調(diào)控可以有效調(diào)控其服役性能，可作為未來低成本、高性能陶瓷的選擇之一。
通過先驅(qū)體元素組分調(diào)節(jié)來調(diào)控相應(yīng)轉(zhuǎn)化陶瓷的微相演變，進(jìn)而調(diào)控陶瓷的性能是PDCs設(shè)計的關(guān)鍵。團(tuán)隊在過去幾年設(shè)計并合成了一系列含硼先驅(qū)體，包括低成本聚硼硅氧烷(Ceram. Int., 2021, 47, 8888-8894)、雙組份聚硅氮烷(Polymers, 2021, 13, 467; Ceram. Int., 2022, 48, 10280-10287)、高硼含量環(huán)硅氧烷-碳硼烷聚合物(Polym. Chem., 2022, 13, 1328-1334)等，并深入探究了其陶瓷化轉(zhuǎn)變過程。在復(fù)雜的微相演變過程中，自由碳相（PDCs中獨立的sp2-C）的演變是PDCs材料最重要的特性之一。Kleebe等人提出了渦輪碳的進(jìn)化模式，碳相發(fā)生了重排反應(yīng)，導(dǎo)致通過石墨烯層的生長和有序堆疊形成了渦輪碳的滲流網(wǎng)絡(luò)。在宏觀上，材料的力學(xué)性能也與自由碳存在關(guān)聯(lián)，楊氏模量和硬度都隨著游離碳的增加而下降，并遵循混合物模型規(guī)則。因此，繼續(xù)探究碳在先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷微相結(jié)構(gòu)演變中的作用和規(guī)律對于聚合物衍生陶瓷材料的技術(shù)發(fā)展十分關(guān)鍵。
圖1：（a）聚硅硼碳氧先驅(qū)體的交聯(lián)過程和（b）在惰性氣氛下熱解過程中所產(chǎn)生的氣體的FT-IR堆積圖。
基于之前的研究基礎(chǔ)，中科院寧波材料所先進(jìn)能源材料工程實驗室和大連理工大學(xué)蹇錫高院士團(tuán)隊提出以二乙烯基苯（DVB）為碳源對基于硼酸的低成本聚硼硅氧烷進(jìn)行碳元素的寬幅調(diào)節(jié)，并對熱解過程以及陶瓷化微相演變過程進(jìn)行了深入探究。研究表明，隨著DVB添加量的增加，可以有效提高聚硼硅氧烷交聯(lián)度，提高耐溫性能和陶瓷產(chǎn)率，但是過量DVB會導(dǎo)致懸鍵增加進(jìn)而導(dǎo)致陶瓷產(chǎn)率降低。通過DVB比例調(diào)控可以有效調(diào)控SiBCO陶瓷的碳含量（15%~50%），并會導(dǎo)致均勻分布的自由碳相增加，進(jìn)而抑制β-SiC結(jié)晶和晶粒生長，并且過量碳會導(dǎo)致碳熱反應(yīng)的起始溫度前移。文章闡述的SiBCO先驅(qū)體熱解過程中的規(guī)律對未來低成本高性能高分子先驅(qū)體設(shè)計和相應(yīng)SiBCO陶瓷的制備具有重要的指導(dǎo)意義，并為未來相關(guān)高性能功能陶瓷應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。
圖2：（a）聚硅硼碳氧先驅(qū)體的TG和（b）DTG曲線。（c-e）硅硼碳氧聚合物先驅(qū)體在惰性氣氛下熱解過程中所產(chǎn)生的氣體的TG/MS分析。
圖3: （a-e）不同熱解溫度下硅硼碳氧陶瓷材料的HRTEM圖像。插圖是相應(yīng)的SAED圖案。
圖4：（a-d）不同碳含量的硅硼碳氧陶瓷材料的HRTEM圖像。白色方塊突出顯示了渦輪碳。插圖是相應(yīng)的SAED圖案。
該研究結(jié)果近期以“The Role of Carbon in Microstructure Evolution of SiBCO Ceramics”為題在Ceramics International發(fā)表。該研究第一作者為20級碩士研究生夏習(xí)文，宋育杰副研究員和徐劍研究員/教授為該文章通訊作者。該工作得到了中國科學(xué)院、“寧波3315創(chuàng)新團(tuán)隊”（NO. 2017A-28-3315）、國家自然科學(xué)基金（No. 52075526）、國家自然科學(xué)基金（No. 91860204）、大連理工大學(xué)2019年學(xué)科平臺基金（No. 1000-82212201）、國家重點研發(fā)計劃（No. 2018YFB1107500）的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.02.264
