傳統陶瓷部件的制備工藝需要複雜的高能(néng)耗燒結工藝和後(hòu)處理工藝，複雜構件成(chéng)型困難和高昂的後(hòu)處理加工限制其在高端領域的應用。通過(guò)聚合物先驅體的合成(chéng)、塑形、交聯和熱解的過(guò)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(chéng)型成(chéng)本，同時帶來近淨成(chéng)形、複雜構型易成(chéng)型、元素可調性等優勢。在聚合物先驅體中，聚SiBCO陶瓷先驅體聚硼矽氧烷由于成(chéng)本相對(duì)其他先驅體（聚矽氮烷，聚硼矽氮烷）較低，能(néng)明顯降低SiBCO陶瓷的制造成(chéng)本。而對(duì)聚硼矽氧烷元素調控可以有效調控其服役性能(néng)，可作爲未來低成(chéng)本、高性能(néng)陶瓷的選擇之一。
通過(guò)先驅體元素組分調節來調控相應轉化陶瓷的微相演變，進(jìn)而調控陶瓷的性能(néng)是PDCs設計的關鍵。團隊在過(guò)去幾年設計并合成(chéng)了一系列含硼先驅體，包括低成(chéng)本聚硼矽氧烷（Ceram. Int., 2021, 47, 8888-8894）、雙組份聚矽氮烷（Polymers, 2021, 13, 467; Ceram. Int., 2022, 48, 10280-10287）、高硼含量環矽氧烷-碳硼烷聚合物（Polym. Chem., 2022, 13, 1328-1334）等，并深入探究了其陶瓷化轉變過(guò)程。在複雜的微相演變過(guò)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，導緻通過(guò)石墨烯層的生長(cháng)和有序堆疊形成(chéng)了渦輪碳的滲流網絡。在宏觀上，材料的力學(xué)性能(néng)也與自由碳存在關聯，楊氏模量和硬度都(dōu)随著(zhe)遊離碳的增加而下降，并遵循混合物模型規則。因此，繼續探究碳在先驅體轉化陶瓷微相結構演變中的作用和規律對(duì)于聚合物衍生陶瓷材料的技術發(fā)展十分關鍵。
基于之前的研究基礎，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所先進(jìn)能(néng)源材料工程實驗室和大連理工大學(xué)蹇錫高院士團隊提出以二乙烯基苯（DVB）爲碳源對(duì)基于硼酸的低成(chéng)本聚硼矽氧烷進(jìn)行碳元素的寬幅調節，并對(duì)熱解過(guò)程以及陶瓷化微相演變過(guò)程進(jìn)行了深入探究。研究表明，随著(zhe)DVB添加量的增加，可以有效提高聚硼矽氧烷交聯度，提高耐溫性能(néng)和陶瓷産率，但是過(guò)量DVB會導緻懸鍵增加進(jìn)而導緻陶瓷産率降低。通過(guò)DVB比例調控可以有效調控SiBCO陶瓷的碳含量（15%～50%），并會導緻均勻分布的自由碳相增加，進(jìn)而抑制β-SiC結晶和晶粒生長(cháng)，并且過(guò)量碳會導緻碳熱反應的起(qǐ)始溫度前移。文章闡述的SiBCO先驅體熱解過(guò)程中的規律對(duì)來低成(chéng)本高性能(néng)高分子先驅體設計和相應SiBCO陶瓷的制備具有重要的指導意義，并爲未來相關高性能(néng)功能(néng)陶瓷應用研究奠定了基礎。
該研究結果近期以“The Role of Carbon in Microstructure Evolution of SiBCO Ceramics”爲題在Ceramics International發(fā)表。該研究第一作者爲甯波材料所20級碩士研究生夏習文，宋育傑副研究員和徐劍研究員/教授爲該文章通訊作者。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院、“甯波3315創新團隊”（NO. 2017A-28-3315）、國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 52075526）、國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 91860204）、大連理工大學(xué)2019年學(xué)科平台基金（No. 1000-82212201）、國(guó)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
圖1 （a）聚矽硼碳氧先驅體的交聯過(guò)程和（b）在惰性氣氛下熱解過(guò)程中所産生的氣體的FT-IR堆積圖
圖2 （a）聚矽硼碳氧先驅體的TG和（b）DTG曲線；（c-e）矽硼碳氧聚合物先驅體在惰性氣氛下熱解過(guò)程中所産生的氣體的TG/MS分析
圖3 （a-e）不同熱解溫度下矽硼碳氧陶瓷材料的HRTEM圖像，插圖是相應的SAED圖案
圖4 （a-d）不同碳含量的矽硼碳氧陶瓷材料的HRTEM圖像，白色方塊突出顯示了渦輪碳，插圖是相應的SAED圖案
（先進(jìn)能(néng)源材料工程實驗室 供稿）
