先驅體轉化碳化硅陶瓷基復合材料（CMCs）主要應用于制備具有耐高溫、抗氧化、耐磨性好、熱膨脹率小、導電導熱性好、硬度高和耐腐蝕等優(yōu)異性能的，并可近凈尺寸成型的高性能陶瓷材料和纖維增強陶瓷基復合材料；目前已被廣泛應用于高端科技與國防軍事領(lǐng)域，如空間遙感成像光學(xué)系統輕量化支撐結構件、航空航天發(fā)動(dòng)機熱端部件、可重復使用的航天運載器熱防護材料、高超音速運輸推進(jìn)系統等。在民用領(lǐng)域，先驅體轉化結構材料也逐步體現其巨大經(jīng)濟價(jià)值和不可替代的作用，如飛機、高鐵、汽車(chē)等現代運輸系統剎車(chē)盤(pán)、高溫燃汽輪機熱端部件、高溫氣體余熱回收、工業(yè)粉塵過(guò)濾、耐腐蝕可再生催化劑載體、大型高溫系統加熱部件、冶金高溫爐用碳套等。隨著(zhù)軍民融合工作的深入推進(jìn)，先驅體轉化高性能結構陶瓷材料制備技術(shù)將會(huì )更趨綠色化、低成本化，其產(chǎn)品將會(huì )更加廣泛滲透到經(jīng)濟社會(huì )體系的各個(gè)方面，對經(jīng)濟發(fā)展的推動(dòng)作用將越來(lái)越大。
制備CMCs基體的先驅體至關(guān)重要，從工藝流程看出，理想的先驅體應兼具“三低”（低粘度、低溫交聯(lián)、低收縮），“二無(wú)”（無(wú)雜質(zhì)、無(wú)發(fā)泡），“一高”（高陶瓷收率）的特點(diǎn)。目前，CMCs中以Cf/SiC和SiCf/SiC體系發(fā)展最快，國內主要以固態(tài)聚碳硅烷（PCS）作為SiC的先驅體，存在的不足是：需要溶解于有機溶劑，降低了浸漬效率，帶來(lái)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。同時(shí)，SiC基復合材料的最佳服役溫度在1600℃左右，對于服役溫度為1000～1300℃的構件，材料雖然能很好地滿(mǎn)足使用要求，但會(huì )造成性能冗余。過(guò)高的制備成本限制了其應用范圍的拓展和批量生產(chǎn)，例如高溫結構、防熱部件、高溫化學(xué)泵、閥門(mén)應用等領(lǐng)域，急需找到高性?xún)r(jià)比的替代品。通過(guò)LC3計劃，美國最先開(kāi)展了CMCs低成本化的研究，確定了適用于1300℃以下的SiOC基體系，并開(kāi)發(fā)了適用于PIP工藝的先驅體產(chǎn)品。
 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(xiàn)
圖2（a）LC-PCS和PCS溶液浸漬周期-增重曲線(xiàn)；（b）LC-PCS為先驅體所制得2D Cf/SiOC
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所核能材料工程實(shí)驗室在“十二五”期間承擔了中科院核能先導專(zhuān)項任務(wù)，并對高性能碳化硅先驅體材料開(kāi)展了深入研究。在制備前期聚碳硅烷的研究工作中，發(fā)現常規合成過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的小分子液態(tài)副產(chǎn)物。近日，在綠色制造和低成本化研究思路的指導下，團隊對上述液態(tài)副產(chǎn)物開(kāi)展再利用的研究。在該研究中，實(shí)驗室科研人員對液態(tài)副產(chǎn)物的組成結構進(jìn)行分析，確定其為重均分子量在200～800之間、主鏈為Si-C結構的液態(tài)低分子量PCS。進(jìn)一步，向其中引入“C=C”活性基團，制備了可轉化為SiOC陶瓷的液態(tài)先驅體（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L(fǎng)C-PCS和PCS為先驅體，通過(guò)PIP工藝制備CMCs。結果表明，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?jiàn)，新的合成路徑從先驅體本身和復材制備過(guò)程兩個(gè)環(huán)節降低了CMCs的成本，制備了可在1000～1300℃服役的高性?xún)r(jià)比CMCs。液態(tài)副產(chǎn)物的再利用也實(shí)現了PCS的綠色合成，體現了環(huán)境效益。該項研究成果對于軍用和核用高端材料進(jìn)入民用領(lǐng)域鋪平了道路。
寧波材料所對該綠色低成本化技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了專(zhuān)利保護（201810433805.3），并積極推進(jìn)下游產(chǎn)品的對接。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金（91426304）以及中科院戰略先導科技專(zhuān)項（XDA03010305）的資助支持。
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