寧波材料所在推進(jìn)碳化硅復(fù)合材料綠色低成本技術(shù)研發(fā)方面取得進(jìn)展
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所黃慶研究員團(tuán)隊(duì)在“陶瓷基復(fù)合材料綠色制造和低成本技術(shù)”方面取得進(jìn)展，研究成果申請了國家發(fā)明專利（201810433805.3）。
陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）被認(rèn)為是制造高溫結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)先候選材料，應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。近年來，CMCs在民航、高鐵、汽車等現(xiàn)代運(yùn)輸系統(tǒng)剎車盤、高溫氣體余熱回收、工業(yè)粉塵過濾、大型高溫系統(tǒng)加熱部件等民用領(lǐng)域也體現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。隨著軍民融合工作的深入推進(jìn)，CMCs制備技術(shù)將會更趨綠色化、低成本化。先驅(qū)體浸漬熱解（PIP）工藝是制備CMCs的重要方法，通過LC3計(jì)劃，美國最先開展了CMCs低成本化的研究，確定了適用于1000℃～1300℃的SiOC基體系，并開發(fā)了適用于PIP工藝的先驅(qū)體產(chǎn)品。而國內(nèi)，在該溫度范圍仍采用SiC基體系，相應(yīng)先驅(qū)體為聚碳硅烷（PCS），存在的不足是：需要溶解于有機(jī)溶劑，降低了浸漬效率，帶來了污染；PCS本身不能交聯(lián)，熱解后發(fā)泡；PCS陶瓷收率不高，約55%；價(jià)格較為昂貴，3000～4000元/公斤；所得復(fù)合材料存在耐高溫性冗余。顯然，PCS難以滿足理想先驅(qū)體的特點(diǎn)：兼具“三低”（低粘度、低溫交聯(lián)、低收縮），“二無”（無雜質(zhì)、無發(fā)泡），“一高”（高陶瓷收率）及成本低的特點(diǎn)。先驅(qū)體的研究直接影響了CMCs綠色制造和低成本化的實(shí)現(xiàn)。
本實(shí)驗(yàn)室在“十二五”期間承擔(dān)了中科院核能先導(dǎo)專項(xiàng)任務(wù)，已成功合成出用于制備SiC纖維的先驅(qū)體——PCS。在PCS的合成過程中會產(chǎn)生大量的（約45%）液態(tài)副產(chǎn)物，科研人員對液態(tài)副產(chǎn)物的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定其為重均分子量在200～800之間、主鏈為Si-C結(jié)構(gòu)的液態(tài)低分子量PCS。進(jìn)一步，向其中引入“C=C”活性基團(tuán)，制備了可轉(zhuǎn)化為SiOC陶瓷的液態(tài)先驅(qū)體（LC-PCS）。LC-PCS具有如下特征：①室溫粘度約30mPa·s；②在400℃以下可充分交聯(lián)；③陶瓷收率大于70%。最后，分別以LC-PCS和PCS為先驅(qū)體，通過PIP工藝制備CMCs。結(jié)果表明，得到致密樣品所需的“浸漬-裂解”周期從14個(gè)降低到10個(gè)?？梢?，通過本研究可從先驅(qū)體本身和復(fù)材制備過程兩個(gè)環(huán)節(jié)降低了CMCs的成本，制備可在1000～1300℃服役的高性價(jià)比CMCs。近年來，隨著SiC纖維及其復(fù)合材料需求的增加，國內(nèi)PCS年產(chǎn)量已超過50噸，并仍將逐年快速增加，液態(tài)副產(chǎn)物年產(chǎn)生量也基本相當(dāng)?！笆濉逼陂g，本實(shí)驗(yàn)室PCS的年產(chǎn)量將達(dá)到噸級，本成果將實(shí)現(xiàn)150萬～200萬/年額外的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，對液態(tài)副產(chǎn)物的再利用也實(shí)現(xiàn)了PCS的綠色合成，體現(xiàn)了環(huán)境效益。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金（91426304）以及中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA03010305）的資助支持。
圖1 （a）LC-PCS；（b）交聯(lián)固化產(chǎn)物；（c）1200℃裂解產(chǎn)物；（d）PCS和LC-PCS的TG曲線
圖2 （a）LC-PCS和PCS溶液浸漬周期-增重曲線；（b）LC-PCS為先驅(qū)體所制得2D Cf/SiOC
?。S慶研究員團(tuán)隊(duì)供稿）