外场辅助聚合诱导相分离法制备可控结构多孔碳及其渗硅反应机理

本项目首次提出外场辅助聚合诱导相分离热解法制备多孔碳的新思路，将外场(电、磁、温度梯度)辅助方法、聚合诱导相分离(PIPS)热解方法和反应形成碳化硅(RFSC)方法创新结合，制备的多孔碳具有更均匀、有序的孔道结构，使最终碳化硅陶瓷组织结构主要由细小、均匀的片、棒晶粒构成，实现对这类材料的组织强化。主要研究内容包括：外场辅助聚合诱导相分离的机理，相分离双相聚合物- - -多孔碳- - -碳化硅陶瓷转变过程中的组织结构演化及其遗传性，材料的组织、性能评价与优化。.本项目基础研究与应用研究紧密结合，通过思路、方法创新，实现技术创新。在不明显增加成本的基础上，能够获得较传统RFSC碳化硅陶瓷更优的性能。同时，该方法还保持了材料易成型，能够制备大尺寸、形状复杂制品的特点。

多孔碳因兼备碳素材料的高稳定性和多孔材料的发达孔隙结构而广泛应用于能源、环保、分离、催化等领域。多孔碳的传统制备方法主要是活化法和模板法。最近，共混聚合物法因其成本低和孔隙结构可控而受到广泛关注。本项目选择酚醛树脂、乙二醇和苯磺酰氯的均匀混合溶液作为初始体系，在固化、深固化和碳化后得到多孔碳。研究表明，体系组成、固化温度和催化剂含量是影响固化过程中聚合诱导相分离的主要因素。当体系中乙二醇含量较少时体系按形核-长大机制相分离；当体系中乙二醇含量较多时体系按调幅分解机制相分离。固化温度和催化剂含量是影响聚合动力学的主要因素，固化温度的升高和催化剂含量的增加都有利于加速聚合反应，最终使相分离产生的孔隙尺寸变小。深固化过程乙二醇富集相的去除和碳化过程酚醛富集相的碳化得到多孔碳。酚醛的TG曲线表明酚醛树脂的残碳率高达66.7%。固化体和碳化产物形貌的相似性说明多孔碳孔隙结构的主要决定于固化过程中的相分离形貌。固化过程中相分离的可控性是多孔碳孔隙结构的可控性必要条件。前期以酚醛树脂为碳质前驱体制得介孔碳模板较成功地制备出碳化硅陶瓷，但是由于模板的孔径过小，渗硅时容易发生“阻渗”现象，影响了碳化硅陶瓷制备的稳定性。为此，引入淀粉和乙二醇作为双重造孔剂制得含有双级孔的多孔碳模板，研究了热固性酚醛树脂的固化及碳化特征，不同原料组分及工艺条件对多孔碳性能的影响以及硅化过程。结合不同的模具制备方法可以制备适合不同领域的复杂形状SiC构件，SiC制件完全继承了渗硅前碳模板的几何形状，表面完整。其中模具热解协助成型法采用石蜡为模具材料，制件精度好且成本低，适合工业化应用。材料强度超过400MPa，是普通反应烧结碳化硅陶瓷的2倍。研究工作发表学术论文11篇，授权发明专利1项，是国家发明奖的重要组成部分。