陶瓷前驅(qū)體復(fù)合材料

陶瓷前驅(qū)體在能源領(lǐng)域的應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)：性能優(yōu)化方面。①提高離子和電子電導(dǎo)率：對(duì)于陶瓷前驅(qū)體在燃料電池、鋰離子電池等領(lǐng)域的應(yīng)用，高離子和電子電導(dǎo)率是關(guān)鍵。然而，許多陶瓷材料本身的電導(dǎo)率相對(duì)較低，需要通過(guò)摻雜、優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)等手段來(lái)提高電導(dǎo)率，但目前仍難以達(dá)到理想的水平。②增強(qiáng)穩(wěn)定性和耐久性：在能源應(yīng)用中，陶瓷前驅(qū)體材料需要在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中保持穩(wěn)定的性能。例如，在燃料電池中，材料需要承受高溫、高濕度、強(qiáng)氧化還原等惡劣環(huán)境，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化、化學(xué)腐蝕等問(wèn)題，導(dǎo)致性能下降。在鋰離子電池中，隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行，陶瓷隔膜和電極材料可能會(huì)出現(xiàn)破裂、粉化等現(xiàn)象，影響電池的壽命和安全性。高校和科研機(jī)構(gòu)在陶瓷前驅(qū)體的研究方面取得了許多重要成果。陶瓷前驅(qū)體復(fù)合材料

以下是一些可以輔助研究陶瓷前驅(qū)體熱穩(wěn)定性的分析技術(shù)：熱機(jī)械分析（TMA）。①原理：在程序控溫下，測(cè)量陶瓷前驅(qū)體在受熱過(guò)程中尺寸或形變隨溫度的變化。通過(guò)記錄樣品的膨脹、收縮或其他尺寸變化，可以了解其在不同溫度下的熱膨脹行為和結(jié)構(gòu)變化。②應(yīng)用：確定陶瓷前驅(qū)體的熱膨脹系數(shù)，判斷其在加熱過(guò)程中是否發(fā)生相變、燒結(jié)等引起尺寸突變的現(xiàn)象。例如，在陶瓷前驅(qū)體的燒結(jié)過(guò)程中，TMA 可以監(jiān)測(cè)其收縮行為，確定較適合燒結(jié)溫度范圍。陶瓷前驅(qū)體復(fù)合材料科學(xué)家們正在探索新型的陶瓷前驅(qū)體材料，以滿足航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芴沾傻男枨蟆?/p>

陶瓷前驅(qū)體的選擇需要考慮化學(xué)組成與純度：①目標(biāo)陶瓷的化學(xué)組成：要確保前驅(qū)體的化學(xué)組成與目標(biāo)陶瓷相匹配，以保證能得到期望的陶瓷材料。如制備氧化鋁陶瓷，需選擇含鋁元素的合適前驅(qū)體。②純度要求：前驅(qū)體的純度對(duì)陶瓷性能影響明顯，高純度的前驅(qū)體可減少雜質(zhì)對(duì)陶瓷性能的不良影響，如降低電導(dǎo)率、強(qiáng)度等，像電子陶瓷領(lǐng)域，通常要求前驅(qū)體純度極高。同時(shí)也需考慮物理性質(zhì)：①形態(tài)與粒度：前驅(qū)體的形態(tài)（如粉末、溶液、膠體等）和粒度分布會(huì)影響后續(xù)加工和陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)。粉末狀前驅(qū)體的粒度細(xì)且分布均勻，有利于提高陶瓷的致密度和性能。②溶解性與分散性：在制備過(guò)程中，若需要將前驅(qū)體溶解或分散在溶劑中，其溶解性和分散性就很重要。良好的溶解性和分散性可保證前驅(qū)體在體系中均勻分布，如溶膠 - 凝膠法中，金屬醇鹽需能在溶劑中充分溶解并均勻分散。③熱穩(wěn)定性：前驅(qū)體應(yīng)具有一定的熱穩(wěn)定性，在后續(xù)熱處理過(guò)程中不發(fā)生過(guò)早分解或其他副反應(yīng)，否則會(huì)影響陶瓷的形成和性能。

陶瓷前驅(qū)體可用于制備軟磁陶瓷材料，如鐵氧體陶瓷前驅(qū)體。軟磁陶瓷材料具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力和低損耗等特點(diǎn)，常用于制作電感器、變壓器、磁頭等電子元件，在電力電子、通信等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。部分陶瓷前驅(qū)體可用于制備硬磁陶瓷材料，如鋇鐵氧體（BaFe??O??）、鍶鐵氧體（SrFe??O??）等。硬磁陶瓷材料具有較高的剩磁和矯頑力，能夠長(zhǎng)期保持磁性，常用于制造永磁電機(jī)、揚(yáng)聲器、磁傳感器等器件。一些陶瓷前驅(qū)體材料具有溫度敏感特性，可用于制備溫度傳感器。例如，熱敏陶瓷前驅(qū)體可以通過(guò)測(cè)量其電阻隨溫度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確測(cè)量和控制，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、家電、汽車(chē)等領(lǐng)域。陶瓷前驅(qū)體的市場(chǎng)需求正在逐年增加，尤其是在制造業(yè)和新能源領(lǐng)域。

陶瓷前驅(qū)體燃料電池領(lǐng)域的應(yīng)用案例如下：①陶瓷質(zhì)子膜燃料電池：清華大學(xué)助理教授董巖皓與合作者提出界面反應(yīng)燒結(jié)概念，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了可控表面酸處理和共燒技術(shù)，讓氧氣電極層和電解質(zhì)層之間實(shí)現(xiàn)活性鍵合，改善了陶瓷質(zhì)子膜燃料電池的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。該器件在低至 350 攝氏度時(shí)仍具有鮮明的性能，在 600 攝氏度、450 攝氏度和 350 攝氏度的條件下，分別實(shí)現(xiàn)每平方厘米 1.6 瓦、每平方厘米 650 毫瓦和每平方厘米 300 毫瓦的峰值功率密度。②固體氧化物燃料電池：采用金屬醇鹽、金屬酸鹽或金屬鹵化物等作為陶瓷前驅(qū)體，通過(guò)溶膠 - 凝膠法、水熱法等制備技術(shù)，可以合成具有特定微觀結(jié)構(gòu)和性能的陶瓷電解質(zhì)和電極材料。例如，以釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）陶瓷前驅(qū)體制備的電解質(zhì)，具有良好的氧離子導(dǎo)電性，能夠在高溫下實(shí)現(xiàn)高效的氧離子傳導(dǎo)，提高燃料電池的性能。③鋰離子電池領(lǐng)域-正極材料：董巖皓與合作者提出滲鑭均勻包覆和陶瓷粉體行星式離心解團(tuán)等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，闡述了應(yīng)力腐蝕斷裂主導(dǎo)的衰減機(jī)理，并修正傳統(tǒng)理論框架下的脆性機(jī)械斷裂認(rèn)知。他們以鋰離子電池中常用的正極材料氧化鋰鈷為例，展示了有效的表面鈍化、抑制表面退化，以及改善的電化學(xué)性能，證明其高電壓穩(wěn)定循環(huán)較大可達(dá)到 4.8 伏納米級(jí)的陶瓷前驅(qū)體顆粒有助于提高陶瓷材料的致密性和強(qiáng)度。陶瓷前驅(qū)體復(fù)合材料

熱重分析可以確定陶瓷前驅(qū)體的熱分解溫度和陶瓷化產(chǎn)率。陶瓷前驅(qū)體復(fù)合材料

通過(guò)選擇和設(shè)計(jì)合適的前驅(qū)體，可以精確控制陶瓷材料的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)。例如，在制備碳化硅（SiC）陶瓷時(shí)，聚碳硅烷（PCS）是一種常用的陶瓷前驅(qū)體。通過(guò)調(diào)整 PCS 的分子結(jié)構(gòu)和組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì) SiC 陶瓷中硅碳比的精確控制，從而獲得具有特定性能的 SiC 陶瓷。陶瓷前驅(qū)體可以制備出高硬度、高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性、耐磨性等優(yōu)異性能的先進(jìn)陶瓷材料。如利用陶瓷前驅(qū)體制備的氮化硼陶瓷，具有密度小、熔點(diǎn)高、高溫力學(xué)性能好、介電性能優(yōu)良等特點(diǎn)。陶瓷前驅(qū)體在高溫裂解過(guò)程中，能夠形成均勻的陶瓷相，減少陶瓷中的缺陷和雜質(zhì)，提高陶瓷的致密度和均勻性。例如，在溶膠 - 凝膠法制備陶瓷中，金屬醇鹽等前驅(qū)體通過(guò)水解和縮聚反應(yīng)，形成均勻的溶膠或凝膠，再經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)，可得到微觀結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷材料。陶瓷前驅(qū)體復(fù)合材料