常見的陶瓷前驅體主要包括聚合物前驅體、金屬有機前驅體和溶膠 - 凝膠前驅體等,其中金屬有機前驅體包含下述:①金屬醇鹽:如鈦酸丁酯等,是制備鈦酸鹽陶瓷的常用前驅體。在溶膠 - 凝膠法中,金屬醇鹽通過水解和縮聚反應,可形成金屬氧化物陶瓷。以鈦酸丁酯為前驅體制備二氧化鈦陶瓷時,鈦酸丁酯在水和催化劑的作用下發生水解,生成氫氧化鈦,再經過加熱脫水等過程,得到二氧化鈦陶瓷。②金屬有機框架(MOFs):具有多孔結構和可調節的化學組成,可作為金屬氧化物或金屬陶瓷的前驅體。MOFs 在高溫下分解,能夠產生特定組成和形貌的金屬氧化物或金屬陶瓷材料。科學家們正在探索新型的陶瓷前驅體材料,以滿足航空航天等領域對高性能陶瓷的需求。山西耐酸堿陶瓷前驅體粘接劑
研究陶瓷前驅體熱穩定性的實驗方法之一:熱分析技術。①熱重分析(TGA):通過測量陶瓷前驅體在受熱過程中的質量變化,來研究其熱分解、氧化等反應。可以獲得前驅體的起始分解溫度、分解速率、分解產物以及殘留量等信息,從而評估其熱穩定性。例如,若前驅體在較低溫度下就發生明顯的質量損失,說明其熱穩定性較差。②差示掃描量熱法(DSC):測量陶瓷前驅體在加熱或冷卻過程中與參比物之間的熱量差,能夠檢測到前驅體發生的相變、結晶、熔融等熱事件,確定其熱轉變溫度和熱效應大小。根據熱轉變溫度的高低和熱效應的強弱,可以判斷前驅體的熱穩定性。山西耐酸堿陶瓷前驅體粘接劑采用 3D 打印技術與陶瓷前驅體相結合,可以制造出復雜形狀的陶瓷構件。
以下是一些可以輔助研究陶瓷前驅體熱穩定性的分析技術:氣相色譜 - 質譜聯用(GC-MS)。①原理:將氣相色譜的高效分離能力與質譜的定性和定量分析能力相結合,對陶瓷前驅體在熱分解過程中產生的揮發性產物進行分析。通過鑒定和定量這些揮發性產物,可以了解前驅體的熱分解機制和反應路徑。②應用:確定陶瓷前驅體熱分解過程中產生的揮發性產物的種類和含量,推斷其熱分解反應的機理。例如,在研究含有機成分的陶瓷前驅體時,GC-MS 可以分析其熱分解產生的有機氣體,從而了解有機成分的分解情況。
后處理過程中,為了提高陶瓷材料的性能,可以采用以下2種方法:①燒結:根據陶瓷材料的種類和所需的性能,確定合適的燒結溫度和時間。高溫下的燒結能促進顆粒結合和晶體生長,增強陶瓷的力學性能。通常使用惰性氣氛(如氮氣或氬氣)來防止氧化和雜質的形成,以確保陶瓷的純度和穩定性。燒結過程需要使用專門設計的燒結爐,其具有精確的溫度控制和環境管理功能,以確保燒結過程的穩定性和一致性。②表面處理:使用研磨工具和材料對陶瓷成品進行研磨和拋光,去除表面的粗糙度、瑕疵和不規則性,使得陶瓷表面更加光滑和均勻,提高其耐腐蝕性和耐磨性。根據需求,對陶瓷成品進行涂層處理。涂層可提供額外的保護、改變表面性能或增加特定功能,常見涂層包括陶瓷涂層、金屬涂層和有機涂層等。冷凍干燥法是一種制備陶瓷前驅體的有效方法,能夠保留其原始的微觀結構。
陶瓷前驅體的制備方法主要有溶膠 - 凝膠法、聚合物前驅體法和有機 - 無機雜化法等。溶膠 - 凝膠法是制備氧化鋯、氧化鉿納米粉體的主要技術路線,優點是大幅拓展了陶瓷產物的種類,可制備出難熔金屬碳化物、硼化物和氮化物,但也存在有效濃度低、穩定性差、易沉降和析出、不易儲存等缺點。聚合物前驅體法包括金屬有機聚合物法和金屬雜化聚合物法,優點是可以實現對聚合物分子結構的多樣化設計,具有不需要碳熱或硼熱還原就能得到無氧難熔金屬陶瓷的優越性,容易實現對無氧陶瓷組成的控制等,但也存在 M-B 鍵多為離子鍵,穩定性較差等問題。有機 - 無機雜化法是將金屬或其氧化物粉體、含金屬的化合物分散于溶液之中,經后處理、熱解制備出超高溫陶瓷,優點是原料來源易得到、成本低廉,溶劑無毒性、對環境無污染,制備工藝簡單、周期短且可控程度高,對試驗設備要求低,但也存在此法制備的前驅體為非均相體系,穩定性差,所得陶瓷元素分布不均勻等缺點。以陶瓷前驅體為原料制備的陶瓷基復合材料,在汽車剎車片和航空航天結構件等方面有重要應用。內蒙古特種材料陶瓷前驅體纖維
石墨烯改性的陶瓷前驅體能夠顯著提高陶瓷材料的導電性和導熱性。山西耐酸堿陶瓷前驅體粘接劑
如制備硅硼碳氮(SiBCN)陶瓷前驅體,將含硅、硼、碳、氮的有機化合物(如硅烷、硼烷、含氮有機物等)與無機化合物(如硼酸、硅粉等)混合,在一定的溫度和氣氛條件下進行反應。例如,將二甲氧基甲基乙烯基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、甲氧基三甲基硅烷等硅氧烷單體與甲基硼酸溶解于 1,4 - 二氧六環中,攪拌反應,旋蒸去除溶劑,得到中間產物。再將中間產物與三乙胺混合,在冰浴環境下滴加甲基丙烯酰氯,進行冰浴反應,經過濾、旋蒸去除沉淀和溶劑,得到液態 SiBCN 陶瓷前驅體。山西耐酸堿陶瓷前驅體粘接劑