碳化矽（SiC）陶瓷具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、耐輻照、抗氧化、熱膨脹率小和熱導率高等優異的綜合性能(néng)，在航空航天、核電、高速機車、武器裝備等關鍵領域具有重要的應用價值。但SiC陶瓷也因其極高的熱穩定性和強度，成(chéng)型加工困難。
目前國(guó)際上陶瓷材料的制備主要采用傳統的粉末成(chéng)型方法，包括微粉制備、成(chéng)型（包括壓延、擠塑、幹壓、等靜壓、澆注、注射等方式）、燒結（包括熱壓燒結、反應燒結、常壓燒結、氣氛壓燒結、熱等靜壓燒結、放電等離子體燒結等方式）到加工等過(guò)程。最近30年，陶瓷材料新型制備工藝層出不窮，在各個環節上都(dōu)有所突破，但仍存在局限性。包括制備溫度高（雖然添加燒結助劑可降低燒結溫度，但燒結助劑又會影響陶瓷的性能(néng)）、不易獲得均勻的化學(xué)成(chéng)分與微觀結構、難以進(jìn)行精加工以及陶瓷材料高脆性難以解決等問題。
先進(jìn)的陶瓷制備技術必須在原料制備、成(chéng)型、燒結等方面(miàn)有所突破。自1975年Yajima等利用聚碳矽烷成(chéng)功制備出SiC陶瓷纖維後(hòu)，先驅體轉化陶瓷技術開(kāi)始進(jìn)入人們的視野。根據BCC Research調查報告，2017年全球陶瓷先驅體市場爲4.376億美元（其中，SiC陶瓷先驅體占40.4%市場份額），預計到2022年將(jiāng)達到7.124億美元，年均增長(cháng)10.2%。所謂先驅體轉化陶瓷是首先通過(guò)化學(xué)合成(chéng)方法制得可經(jīng)高溫熱解轉化爲陶瓷材料的聚合物，經(jīng)成(chéng)型後(hòu)，再通過(guò)高溫轉化獲得陶瓷材料。其具有諸多優點，包括：（1）分子的可設計性：可通過(guò)分子設計對(duì)先驅體化學(xué)組成(chéng)與結構進(jìn)行設計和優化，進(jìn)而實現對(duì)陶瓷組成(chéng)、結構與性能(néng)的調控；（2）良好(hǎo)的工藝性：陶瓷先驅體屬于有機高分子，繼承了高分子加工性好(hǎo)的優點，例如：可溶解浸漬、可紡絲、可模塑成(chéng)型、可發(fā)泡、可3D打印等，因此能(néng)用于制備傳統粉末燒結工藝難以獲得的低維材料和複雜構型，例如陶瓷纖維、陶瓷薄膜、複雜立體構件等；（3）可低溫陶瓷化，無需引入燒結助劑；（4）可制備三元和多元共價鍵化合物陶瓷；（5）可獲得纖維增韌的陶瓷材料，從而解決陶瓷材料高脆性問題。
綜上所述，先驅體轉化陶瓷技術可以靈活控制和改善陶瓷材料的化學(xué)結構、相組成(chéng)、原子分布和微結構等，具有傳統陶瓷制備技術無法比拟的優勢。以先驅體轉化法制備陶瓷材料，其關鍵之處在于能(néng)否制備出合适的先驅體，這(zhè)直接決定了是否能(néng)成(chéng)功制備出優異性能(néng)的陶瓷材料。目前成(chéng)功開(kāi)發(fā)并應用的SiC陶瓷先驅體主要是固态聚碳矽烷（PCS）。但PCS作爲SiC陶瓷先驅體仍存在不足，如：PCS中C/Si爲2，其熱解産物富碳，最終影響SiC陶瓷的性能(néng)；PCS陶瓷産率較低；其在室溫下爲固體，用于形成(chéng)複合材料中陶瓷基體時，浸漬過(guò)程中需要二甲苯、四氫呋喃等溶劑，而在裂解之前又需要蒸發(fā)這(zhè)些溶劑，導緻制備周期長(cháng)和工藝繁瑣等。
中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所核能(néng)材料工程實驗室經(jīng)過(guò)較長(cháng)時間研究，制備出一種(zhǒng)流動性好(hǎo)（複數粘度0.01～0.2Pa·S）、存儲時間長(cháng)（>6 個月）、氧含量低（～0.1 wt%）、陶瓷産率高（1600℃陶瓷産率達～79wt%）、陶瓷産物中C/Si爲～1.1且1500℃靜态氧化後(hòu)質量變化小于3%的液态超支化聚碳矽烷（LHBPCS）。樣(yàng)品品質也獲得多個應用單位的肯定。此外，核能(néng)材料工程實驗室在LHBPCS固化交聯機理上也有深入研究，能(néng)夠實現其光固化成(chéng)型和低溫熱固化成(chéng)型，凝膠化時間僅數分鍾，且結構緻密無泡孔。相關研究成(chéng)果相繼發(fā)表在J. Eur. Ceram. Soc., 2017, 37(10): 3263–3270；Adv. Appl. Ceram., 2017, 116(8):445–451；J. Am. Ceram. Soc., 2018, DOI: 10.1111/jace.15966等專業學(xué)術期刊上。
上述研究内容獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計劃（批準号：91426304）和中國(guó)科學(xué)院重點部署（ZDRW-CN-2017-1）等項目的支持。
圖1 制備的LHBPCS及交聯固化與燒結後(hòu)緻密形貌
圖2 制備的LHBPCS在不同熱引發(fā)劑（TBPB）含量下交聯速率變化
(核能(néng)材料工程實驗室 裴學(xué)良)
