陶瓷先驱体聚合物的应用

概述了几种典型的陶瓷先驱体聚合物聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚硅氧烷、聚硅烷等在陶瓷材料制备中的应用研究进展,重点阐述了在该领域所取得的研究成果,并针对目前存在的不足提出了今后的研究方向。     

三维有序多孔图案化SiC陶瓷的制备

结合毛细管微模塑技术、模板技术和先驱体转化技术, 以图案化聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体为模具,以氧化硅凝胶小球为模板, 以液态聚碳硅烷(PCS)为先驱体, 经过氧化硅凝胶小球图案化模板的形成, 先驱体的渗入, 模板中先驱体的交联, 弹性模具的去除, 图案化先驱体的无机化和模板的去除, 制备了图案化多孔SiC 陶瓷.研究结果表明：所制备的图案化多孔陶瓷中, 图案的尺寸受图案化PDMS 弹性模具的控制, 球形孔的孔径可由氧化硅凝胶小球来调节. 图案化陶瓷中球形孔不仅三维有序排列, 而且由于模板中小球的相互接触形成的“窗 口”使球形孔三维贯通.     

高硼含量的SiC陶瓷先驱体的合成和表征

采用经典硼氢化反应, 通过硼烷二级硫醚(BH₃·SMe₂)与二甲基二乙烯基硅烷(DVS)反应, 合成了聚硼碳硅烷(PBCS)陶瓷先驱体, PBCS在氮气中经高温裂解得到了高硼含量的SiC陶瓷.利用红外光谱、核磁共振波谱和热重分析对聚合物的结构和性能进行了表征; 利用元素分析、X射线衍射和扫描电子显微镜对聚合物的裂解产物进行了分析.结果表明, 聚合物的结构中含有B—C, Si—C和C—H键, 在1000℃氮气气氛中, 其陶瓷产率在50%以上.陶瓷产物在1100℃以无定形态存在, 硼含量高达6.46%, 在1300℃时出现明显结晶, 形成B₂O₃, C和β-SiC三相组成的多元复相陶瓷, 在1500℃以下陶瓷产物表面光滑, 结构致密.     

聚锆碳硅烷陶瓷先驱体的制备与表征

为了提高SiC陶瓷纤维的综合性能,利用聚二甲基硅烷(PDMS)热解制得的液相产物聚硅碳硅烷(PSCS)与乙酰丙酮锆(Zr(AcAc)4)反应,制备了含锆SiC陶瓷纤维的先驱体聚锆碳硅烷(PZCS).选用液相PSCS作为反应原料,可使锆元素在先驱体中分布更加均匀,并能防止Zr(AcAc)4在反应过程中升华.实验合成的PZCS化学式为SiC1.94HxO0.066Zr0.0104,数均分子量Mn=200~400,再成型性良好.反应机理研究表明,反应过程中存在PSCS裂解重排反应,Si—H键在反应中显示出很高的活性,PZCS分子量的增加是PSCS形成的Si—H键与Zr(AcAc)4的配位基发生交联反应的结果.利用PZCS制备的Si—Zr—C—O陶瓷纤维平均强度2.6GPa,平均直径11μm,性能优异.     

聚合物前驱体3D打印制备高性能陶瓷

3D打印制备陶瓷可以实现结构-材料设计一体化,为复杂形状陶瓷材料快速成型提供了新途径。但是传统的3D打印制备陶瓷是以陶瓷粉末或陶瓷颗粒为打印材料,存在陶瓷构件尺寸精度差、表面光洁度低和力学性能不佳等问题。近年来,以聚合物前驱体为打印材料,通过3D打印成型、高温裂解等工艺制备高性能陶瓷技术的出现为改善这些不足提供了新方法,成为3D打印陶瓷领域的研究热点。本文概述了聚合物前驱体3D打印制备高性能陶瓷的研究进展,重点阐述了本体聚合物前驱体、聚合物前驱体/光敏化合物、聚合物前驱体/巯基化合物、光敏基团改性聚合物前驱体、增强体/聚合物前驱体五种典型材料体系的研究现状,并对其今后的发展方向进行了展望。     

多孔聚合物的纳米形貌设计与多功能集成研究进展

多孔聚合物因具有独特的结构优势,如比表面积高、孔结构可控、密度低、表面与骨架化学环境易剪裁等,在气体存储、催化、传感、药物传递和分离等应用方面表现出优异的性能,受到了广泛关注。近年来,各种新型多孔聚合物已成为材料和化学研究领域的"新宠"。然而,孔结构精确调控、纳米形貌可控构筑以及功能组分的定制与集成,依然是多孔聚合物设计制备与应用所面临的难点与挑战。中山大学吴丁财教授团队在新型多孔聚合物的设计制备与应用方面开展了一系列研究工作,取得了重要进展。本文对他们研究工作的最新进展作了简要的评述。     

含锆碳硅陶瓷先驱体的半经验理论研究

采用PM6方法对添加了配体Zr(AcAc)4,Zr(NH(C2H5))4,ZrCp2Cl2,ZrCp2ClH形成的16种含锆碳硅陶瓷先驱体(PZCS)和PCS(10)的几何结构、电子属性、反应能进行了系统的理论研究,结果表明:(1)大体积的Zr(AcAc)4带来的的空间效应并未过多的影响Si—Zr键的键长;(2)从单配体衍生物到对应的多配体衍生物HOMO-LUMO能隙趋向于减小,配体Zr(NH(C2H5))4得到的衍生物的能隙下降幅度最大.ZrCp2Cl2得到的衍生物的能隙比对应的ZrCp2ClH的能隙要大;(3)16种PZCS的反应能均为负值,随配体数的增加,Zr(NH(C2H5))4的衍生物的反应能减小,而其他三种配体的衍生物的反应能增大.     

液相渗硅法制备多孔Si/SiC生物形态陶瓷

榉木经高温热解转化为碳模板,通过液相渗硅反应（LSIP）,在1550℃,1.5h渗硅,1700℃排硅制备了保持木材微观结构的多孔Si/SiC陶瓷。利用X-射线衍射分析（XRD）, 扫描电子显微镜（SEM）,压汞技术对样品的物相构成、显微结构和孔径分布进行了分析,利用阿基米德法和三点弯曲法测定了多孔陶瓷的显气孔率、密度和弯曲强度。结果表明,最终产物由主晶相β-SiC和少量的Si组成;控制高温排硅时间可以得到孔隙率为16％~32％的多孔Si/SiC陶瓷,可调控其产物的相组成和力学性能。对LSIP工艺的反应机理进行了探讨。     

多孔SiC纳米片的原位合成及光催化性能

以可膨胀石墨作为原材料,通过高温膨化和机械砂磨得到石墨薄片,再以石墨薄片作为模板合成了不同比表面积的碳化硅纳米片(SiCNSs)。探究了比表面积对SiCNSs光催化制氢性能的影响。结果表明,SiCNSs的比表面积对其产氢性能影响显著,提高光催化剂的比表面积有利于增强其产氢活性。SiCNSs的最大比表面积可达149 m²·g^-1,其光解水产氢速率为51.0μL·g^-1·h^-1。在对石墨薄片和SiCNSs结构、形貌分析的基础上,提出了以石墨薄片为模板原位生成SiCNSs的形成机理,该过程主要遵循气固反应机制。高温下,气态的SiO和Si与石墨薄片反应生成SiCNSs,产物较好地继承了石墨薄片的片状结构。大尺寸石墨片上未反应部分除碳之后留下了大量纳米尺寸穿孔,使得所生成SiC的比表面积反而比小尺寸石墨片产物的高。     

掺铁碳化硅陶瓷的制备及其吸波性能

将羰基铁和液态聚碳硅烷(LPCS)反应生成的铁(Fe)溶胶与固态聚碳硅烷(PCS)混合,合成出不同Fe质量分数的PCS先驱体,然后经氧化交联和高温热解制备了不同Fe质量分数的磁性碳化硅陶瓷(Fe/SiC),系统地研究了Fe元素的引入对SiC陶瓷的组成、结构、磁性能和介电性能的影响规律。 研究发现,当Fe质量分数小于8.94%时,在热解过程中,Fe元素可以显著促进SiC_xO_y的分解,生成β-SiC,且随着Fe质量分数的增加,β-SiC的结晶峰越来越强;但随着Fe质量分数继续增加,达11.78%时,则主要生成Fe₃Si;Fe/SiC陶瓷均呈铁磁性,其饱和磁化强度随着Fe质量分数的增加而呈指数形式增加;当Fe质量分数为4.19%时Fe/SiC陶瓷在12.4 GHz具有最小的反射损耗,为-9.4 dB,同时低于-5 dB的带宽为2.4 GHz,Fe质量分数为8.94%时,低于-5 dB的带宽则为3.7 GHz,可用作良好的微波吸收材料。     

碳化硅多孔陶瓷的制备及烧结研究

采用一种新型的造孔剂酵母粉（主要化学成分是C，H，O，N，P，S等元素）制 备碳化硅多孔陶瓷。对碳化硅多陶瓷烧制过程中化学成分的变化进行了详细的研究 ，发现浆料的分散性与甘油添加量之间存在一定的关系。选用Al_2O_3作为烧结助 剂，随着添加量的变化，碳化硅多孔陶瓷的烧结行为也有明显的不同，Al_2O_3最 佳添加量为5% - 10%。酵母粉的添加量也直接影响碳化硅多孔陶瓷的气孔率和抗折 强度。此外，烧成温度和保温时间对烧结也有很大的影响，烧成制品的化学成分随 烧成温度的不同而不同。     

Accelerating Membrane‐based CO2 Separation by Soluble Nanoporous Polymer Networks Produced by Mechanochemical Oxidative Coupling

Achieving homogeneous dispersion of nanoporous fillers within membrane architectures remains a great challenge for mixed‐matrix membrane (MMMs) technology. Imparting solution processability of nanoporous materials would help advance the development of MMMs for membrane‐based gas separations. A mechanochemically assisted oxidative coupling polymerization strategy was used to create a new family of soluble nanoporous polymer networks. The solid‐state ball‐milling method affords inherent molecular weight control over polymer growth and therefore provides unexpected solubility for the resulting nanoporous frameworks. MMM‐based CO₂/CH₄ separation performance was significantly accelerated by these new soluble fillers. We anticipate this facile method will facilitate new possibilities for the rational design and synthesis of soluble nanoporous polymer networks and promote their applications in membrane‐based gas separations.     

基于纳米孔金与离子印迹聚合物结合的新型电化学传感器用于测定砷离子(III)

砷是一种有毒的化学元素,尤其对环境和人体健康有害. 因此,简单、快速和准确的砷离子（As³⁺）检测方法的开发引起了广泛的关注. 本项工作研究了基于离子印迹聚合物（MIP）和纳米多孔金（NPG）改性氧化铟锡（ITO）电极（MIP/NPG/ITO）用于检测不同水质中砷离子（As³⁺）测定的电化学传感器. 通过步骤简单、易操控、绿色环保的电沉积方法在ITO表面原位制备具有高导电,大比表面积,高生物相容性的NPG. 然后通过电聚合在NPG表面上原位合成一层MIP,其中As³⁺用作模板分子,邻苯二胺用作功能单体. 通过扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对MIP/NPG/ITO的制备过程进行了跟踪. 采用铁氰化钾与亚铁氰化钾螯合物作为电化学探针产生信号,采用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）研究了MIP/NPG/ITO的电化学行为. 通过优化实验条件,采用循环伏安法对As³⁺进行了定量检测,其测量As³⁺的线性范围为2.0×10^-11至9.0×10^-9 mol·L^-1,检测下限为7.1×10^-12 mol·L^-1（S/N = 3）. 所构建传感器的检出限远低于10 ppb,符合世界卫生组织（WHO）和环境保护局（EPA）设定的饮用水标准. 另外,该传感器具有制备和确定步骤简单,重复性好,重现性和稳定性优异的优点. 值得一提的是,所制备的传感器已成功应用于测量景观河水、地下水、自来水和生活污水等四种水质中As³⁺. 可以预见,这种简单而廉价的传感器在环境监测,食品分析和临床诊断领域具有潜在的实际应用价值.     

新型金属-TMA聚合物纳米孔材料的研究进展

本文简述了新型金属-TMA(1,3,5-三苯甲酸根)聚合物纳米孔材料的一般特征、材料设计方略、典型合成方法和潜在的应用领域,并着重介绍了这类聚合物的一维、二维、三维结构及性质,最后展望其发展趋势及前景。     

纳米孔金膜电极：合金化/去合金化法制备及电化学性能

采用合金化/去合金化法在金电极表面制备出一层具有纳米孔结构的金膜，其孔径约为15 nm。该方法首先在金电极表面电沉积一层锌，再通过热处理形成合金层，最后利用化学去合金化法去除合金中的锌。X射线衍射(XRD)结果表明在合金化过程中，锌扩散进入金基体并形成了金-锌合金层。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对去合金化得到的纳米孔金膜进行了形貌的表征，结果表明合金化条件对样品的纳米结构有明显的影响。电化学测试结果表明，经合金化/去合金化处理的金电极，其表面粗糙度有明显的提高。这种金电极对甲醇具有较高的催化氧化活性，在0.3 mol·L^-1甲醇的KOH溶液中，甲醇的氧化峰电流密度高达2.02 mA·cm^-2。     

三维有序SiC空心球的制备及表征

以三维有序多孔碳为模板, 以聚甲基硅烷(PMS)为前驱体, 经过前驱体的渗入、交联和陶瓷转化以及多孔碳模板的烧除, 制备了长程三维有序SiC空心球. 所制备的SiC空心球的外径(135-896 nm)、 球壳厚度(14-79 nm)、 BET比表面积(50.8～5.0 m2/g)及微孔体积(0.265～0.038 cm3/g)受不同孔径的多孔碳模板(150-1 000 nm)或不同前驱体浓度的控制. 所制备的SiC空心球以hcp结构排列成长程三维有序的序列.