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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 伏含有稀土元素的陶瓷前驅(qū)體可以改善陶瓷的光學(xué)性能,用于制造光學(xué)器件。上海陶瓷樹脂陶瓷前驅(qū)體價(jià)格
通過選擇和設(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)體通過水解和縮聚反應(yīng),形成均勻的溶膠或凝膠,再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié),可得到微觀結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷材料。湖北船舶材料陶瓷前驅(qū)體性能國(guó)家出臺(tái)了一系列政策支持陶瓷前驅(qū)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
陶瓷前驅(qū)體的選擇需要考慮反應(yīng)活性、成本與可獲取性及環(huán)境健康影響:①與其他組分的反應(yīng)性:如果制備過程中涉及多種前驅(qū)體或添加劑,要考慮前驅(qū)體與它們之間的反應(yīng)活性,確保反應(yīng)能按預(yù)期進(jìn)行,形成所需的陶瓷相。②分解溫度與速率:前驅(qū)體的分解溫度和速率會(huì)影響陶瓷的制備工藝和性能。分解溫度應(yīng)適中,分解速率要可控,以保證陶瓷的形成過程均勻、穩(wěn)定。③成本因素:前驅(qū)體的成本直接影響陶瓷的生產(chǎn)成本,在滿足性能要求的前提下,應(yīng)選擇成本較低的前驅(qū)體,以提高經(jīng)濟(jì)效益。④可獲取性與供應(yīng)穩(wěn)定性:前驅(qū)體應(yīng)易于獲取,且供應(yīng)穩(wěn)定,避免因原料短缺影響生產(chǎn)。⑤毒性與安全性:選擇前驅(qū)體時(shí)要考慮其毒性和對(duì)人體健康的影響,盡量選擇低毒、安全的前驅(qū)體,以保障生產(chǎn)人員的安全和環(huán)境的友好。⑥環(huán)境友好性:前驅(qū)體的制備和使用過程應(yīng)盡量減少對(duì)環(huán)境的污染,符合環(huán)保要求。
陶瓷前驅(qū)體的制備方法主要有溶膠 - 凝膠法、聚合物前驅(qū)體法和有機(jī) - 無機(jī)雜化法等。溶膠 - 凝膠法是制備氧化鋯、氧化鉿納米粉體的主要技術(shù)路線,優(yōu)點(diǎn)是大幅拓展了陶瓷產(chǎn)物的種類,可制備出難熔金屬碳化物、硼化物和氮化物,但也存在有效濃度低、穩(wěn)定性差、易沉降和析出、不易儲(chǔ)存等缺點(diǎn)。聚合物前驅(qū)體法包括金屬有機(jī)聚合物法和金屬雜化聚合物法,優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物分子結(jié)構(gòu)的多樣化設(shè)計(jì),具有不需要碳熱或硼熱還原就能得到無氧難熔金屬陶瓷的優(yōu)越性,容易實(shí)現(xiàn)對(duì)無氧陶瓷組成的控制等,但也存在 M-B 鍵多為離子鍵,穩(wěn)定性較差等問題。有機(jī) - 無機(jī)雜化法是將金屬或其氧化物粉體、含金屬的化合物分散于溶液之中,經(jīng)后處理、熱解制備出超高溫陶瓷,優(yōu)點(diǎn)是原料來源易得到、成本低廉,溶劑無毒性、對(duì)環(huán)境無污染,制備工藝簡(jiǎn)單、周期短且可控程度高,對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求低,但也存在此法制備的前驅(qū)體為非均相體系,穩(wěn)定性差,所得陶瓷元素分布不均勻等缺點(diǎn)。企業(yè)正在加大對(duì)陶瓷前驅(qū)體研發(fā)的投入,以提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
研究陶瓷前驅(qū)體熱穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)方法之一:光譜分析技術(shù)。①傅里葉變換紅外光譜(FT-IR):用于分析陶瓷前驅(qū)體的化學(xué)鍵和官能團(tuán)結(jié)構(gòu)。通過比較不同溫度下的 FT-IR 光譜,觀察化學(xué)鍵的振動(dòng)吸收峰的變化,了解前驅(qū)體在受熱過程中化學(xué)鍵的斷裂和重組情況,從而評(píng)估其熱穩(wěn)定性。例如,某些化學(xué)鍵的吸收峰在高溫下減弱或消失,可能意味著這些化學(xué)鍵發(fā)生了斷裂,前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。②拉曼光譜:與 FT-IR 類似,拉曼光譜也可以提供關(guān)于陶瓷前驅(qū)體化學(xué)鍵和結(jié)構(gòu)的信息。通過分析拉曼光譜中特征峰的位置、強(qiáng)度和寬度等變化,研究前驅(qū)體在高溫下的結(jié)構(gòu)演變,判斷其熱穩(wěn)定性。選擇合適的陶瓷前驅(qū)體是制備高性能陶瓷的關(guān)鍵步驟之一。湖北船舶材料陶瓷前驅(qū)體性能
金屬有機(jī)陶瓷前驅(qū)體能夠制備出兼具金屬和陶瓷特性的復(fù)合材料,應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域。上海陶瓷樹脂陶瓷前驅(qū)體價(jià)格
常見的陶瓷前驅(qū)體主要包括聚合物前驅(qū)體、金屬有機(jī)前驅(qū)體和溶膠 - 凝膠前驅(qū)體等,其中金屬有機(jī)前驅(qū)體包含下述:①金屬醇鹽:如鈦酸丁酯等,是制備鈦酸鹽陶瓷的常用前驅(qū)體。在溶膠 - 凝膠法中,金屬醇鹽通過水解和縮聚反應(yīng),可形成金屬氧化物陶瓷。以鈦酸丁酯為前驅(qū)體制備二氧化鈦陶瓷時(shí),鈦酸丁酯在水和催化劑的作用下發(fā)生水解,生成氫氧化鈦,再經(jīng)過加熱脫水等過程,得到二氧化鈦陶瓷。②金屬有機(jī)框架(MOFs):具有多孔結(jié)構(gòu)和可調(diào)節(jié)的化學(xué)組成,可作為金屬氧化物或金屬陶瓷的前驅(qū)體。MOFs 在高溫下分解,能夠產(chǎn)生特定組成和形貌的金屬氧化物或金屬陶瓷材料。上海陶瓷樹脂陶瓷前驅(qū)體價(jià)格