聚合物陶瓷前驱体反应诱导相分离法构筑三维微纳米复合结构的多孔SiC材料

3D hierarchically porous silicon carbide (SiC) materials attract ever-increasing interest in the industrial applications, however, which is difficult to fabricate by the traditional methods. This project will take advantage of the designable molecular structure and good processing ability of preceramic polymers, and easily tunable pore size and distribution in the reaction induced phase separation method, to fabricate a hierarchically porous SiC monolith. The mechanism of reaction induced phase separation, composition and microstructure evolution during pyrolysis and sintering process, and relationships between performance and microstructure will be systematically investigated, providing theoretical guidance for the delicate control of microstructure and the improvement of performance. This project aims to develop a novel facile method to fabricate the 3D hierarchically porous SiC monolith, which will have important applications for catalyst support, filter/adsorption, thermal insulation, and composite materials in the high-temperature and erosive environment.

多孔碳化硅（SiC）材料在工业应用中有着越来越广泛的需求，尤其是具有三维微纳米复合结构的多孔SiC块体材料，然而传统制备方法难以实现这种复杂结构的构筑。本项目将利用聚合物陶瓷前驱体分子结构可调控和易于加工成型的特点，结合反应诱导相分离法便于调节孔径大小和分布的优势，制备具有三维微纳米复合结构的多孔SiC块体材料。项目实施过程中，将对聚合物陶瓷前驱体的反应诱导相分离机理、热解和烧结过程中微观组成和微相结构演变、以及宏观性能与微观结构之间的关联进行研究，为该多孔SiC材料的结构调控和性能设计提供理论依据。本项目旨在开发出一种新颖且简单的多孔SiC制备方法，为高温和强腐蚀性环境下的催化剂载体、过滤/吸附、隔热、复合材料增强体等应用领域，提供一种具有三维微纳米复合结构的高性能多孔SiC块体材料。

多孔碳化硅陶瓷由于具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、力学强度高等优点，被越来越广泛地应用于过滤、吸附、催化剂/催化剂载体、隔热、燃烧器、传感器以及金属陶瓷复合材料等领域。多孔陶瓷的宏观性能与微观结构有着密切联系，因此实现微观结构的调控对其实际应用有着重要意义。本项目利用聚合物陶瓷前驱体分子结构可调控和易于加工成型的特点，结合相分离法在精细结构调控上的优势，构筑具了有三维微纳米复合结构的多孔SiC材料。本项目对聚合物陶瓷前驱体的分离机理进行深入研究，阐明了聚合物陶瓷前驱体溶液浓度、交联剂含量、相分离助剂（聚丙烯）含量对微观结构的影响。其次，通过对热解和烧结过程中微观组成和微相结构的调控，实现了有机高分子材料到无机SiC材料的转变。最终制备得到的SiC独柱石具有三维连通的多级孔结构、大比表面积（101 m2/g）、低密度（0.7 g/cm3）、高孔隙率78%、以及优异的机械强度（压缩强度14 MPa），有望在金属陶瓷复合材料、气相催化、燃烧器、高温过滤和分离等领域发挥重要用途。另外，我们在该项目基础上，利用相分离方法，结合纳米陶瓷粉体和溶胶制备得到了不同陶瓷组成和多种微观形貌的多孔陶瓷材料，成功构建一种利用相分离制备多孔陶瓷材料的方法学。