浙江陶瓷前驱体复合材料

聚合物前驱体法是一种制备高性能陶瓷和陶瓷复合材料的方法。其具有以下局限性：①成本较高：聚合物前驱体的合成通常需要使用较为复杂的有机合成方法和特殊的原材料，导致其成本相对较高。这在一定程度上限制了聚合物前驱体法在大规模工业生产中的应用。②裂解过程复杂：聚合物前驱体在热分解过程中会发生复杂的物理和化学变化，如有机基团的脱除、气体的释放、体积收缩等，容易导致陶瓷材料内部产生孔隙、裂纹等缺陷，影响材料的性能。此外，裂解过程中的工艺参数对陶瓷材料的性能影响较大，需要精确控制。③稳定性问题：部分聚合物前驱体对环境条件较为敏感，如对水分、氧气、温度等因素敏感，容易发生变质或反应，需要在特殊的储存和处理条件下使用，增加了制备过程的复杂性和难度。④制备周期长：从聚合物前驱体的合成到陶瓷材料的制备，需要经过多个步骤和较长的时间，包括聚合物的合成、成型、固化和热分解等过程，生产效率相对较低。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。浙江陶瓷前驱体复合材料

常见的陶瓷前驱体主要包括聚合物前驱体、金属有机前驱体和溶胶 - 凝胶前驱体等，其中聚合物前驱体包含下述几项：①聚碳硅烷：结构中含有硅原子和碳原子相间成键，热解后能得到 SiC 陶瓷。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，合成方法有脱氯和热解重排法、开环聚合法、缩聚合成法和硅氢加成法等。②聚硅氮烷：结构以 Si-N 键为主链，热解后可得到 Si₃N₄或 Si-C-N 陶瓷，在信息、电子、航空、航天等领域应用较多。③聚硼氮烷：结构中以 B-N 键为主链，热解后能得到 B₃N₄陶瓷。氮化硼陶瓷具有密度小、熔点高、高温力学性能好、介电性能优良、具有润滑性等特点，是飞行器透波结构件的推荐材料。④元素掺杂的陶瓷前驱体：含钛、锆、铪、铝、铌、钼等异质元素，可解决陶瓷功能单一化的问题，能制备出难熔金属碳化物、硼化物和氮化物。
浙江陶瓷前驱体复合材料含有稀土元素的陶瓷前驱体可以改善陶瓷的光学性能，用于制造光学器件。

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。

以下是一些可以辅助研究陶瓷前驱体热稳定性的分析技术：热机械分析（TMA）。①原理：在程序控温下，测量陶瓷前驱体在受热过程中尺寸或形变随温度的变化。通过记录样品的膨胀、收缩或其他尺寸变化，可以了解其在不同温度下的热膨胀行为和结构变化。②应用：确定陶瓷前驱体的热膨胀系数，判断其在加热过程中是否发生相变、烧结等引起尺寸突变的现象。例如，在陶瓷前驱体的烧结过程中，TMA 可以监测其收缩行为，确定较适合烧结温度范围。企业正在加大对陶瓷前驱体研发的投入，以提高产品的竞争力。

许多陶瓷前驱体具有优异的生物相容性，如氧化锆、氧化铝等陶瓷前驱体，它们在与人体组织接触时，不会引起明显的免疫反应或毒性作用，能够与周围组织形成良好的结合，为长期植入提供了可能。陶瓷前驱体制备的生物医学材料具有高硬度、高耐磨性和良好的韧性等力学性能，能够满足人体在生理活动中的力学需求，如人工关节、牙科修复体等需要承受较大的压力和摩擦力，陶瓷前驱体材料可以提供可靠的力学支撑。通过对陶瓷前驱体的组成、结构和制备工艺的调控，可以实现对材料性能的精确设计和优化，以满足不同生物医学应用的需求。例如，可以调整陶瓷前驱体的孔隙率、孔径分布和表面形貌等，促进细胞的黏附、增殖和组织的长入，还可以引入生物活性物质，如生长因子、药物等，赋予材料特定的生物功能。陶瓷前驱体材料具有良好的化学稳定性，不易在人体环境中被腐蚀或降解，能够长期保持其结构和性能的稳定，从而保证了植入物的使用寿命和安全性。石墨烯改性的陶瓷前驱体能够显著提高陶瓷材料的导电性和导热性。浙江陶瓷前驱体复合材料

这种陶瓷前驱体可制成高性能的陶瓷涂层，提高金属材料的耐腐蚀性和耐磨性。浙江陶瓷前驱体复合材料

陶瓷前驱体燃料电池领域的应用案例如下：①陶瓷质子膜燃料电池：清华大学助理教授董岩皓与合作者提出界面反应烧结概念，设计开发了可控表面酸处理和共烧技术，让氧气电极层和电解质层之间实现活性键合，改善了陶瓷质子膜燃料电池的电化学性能和稳定性。该器件在低至 350 摄氏度时仍具有鲜明的性能，在 600 摄氏度、450 摄氏度和 350 摄氏度的条件下，分别实现每平方厘米 1.6 瓦、每平方厘米 650 毫瓦和每平方厘米 300 毫瓦的峰值功率密度。②固体氧化物燃料电池：采用金属醇盐、金属酸盐或金属卤化物等作为陶瓷前驱体，通过溶胶 - 凝胶法、水热法等制备技术，可以合成具有特定微观结构和性能的陶瓷电解质和电极材料。例如，以钇稳定的氧化锆（YSZ）陶瓷前驱体制备的电解质，具有良好的氧离子导电性，能够在高温下实现高效的氧离子传导，提高燃料电池的性能。③锂离子电池领域-正极材料：董岩皓与合作者提出渗镧均匀包覆和陶瓷粉体行星式离心解团等多项创新技术，阐述了应力腐蚀断裂主导的衰减机理，并修正传统理论框架下的脆性机械断裂认知。他们以锂离子电池中常用的正极材料氧化锂钴为例，展示了有效的表面钝化、抑制表面退化，以及改善的电化学性能，证明其高电压稳定循环较大可达到 4.8 伏浙江陶瓷前驱体复合材料