聚硅氧烷微相分离热解制备微纳米多孔硅氧碳陶瓷

Ｔo meet the demands of wide industry applications and academic progress, it is very important to develop high performance micro/nano- porous materials via fast and economical preparation methods and process. In this project, we plan to fabricate micro/nano-porous Si-O-C monoliths including aerogel with porosity of 20-90%, pore size of 2-5000nm via a crosslinking-induced microphase separation of polysiloxanes from some special polymer solvents and thereafter pyrolysis process. The microstructure of the phase separation can be controlled by the molecular structure of the precursors and the matching solvent system as well as the crosslinking conditions, therefore to flexibly tune the pore size and its distribution of the derived micro/nano- porous ceramics; and its porosity can be designed and controlled simply by the ratio of the solvent. This new strategy have the advantages of narrow pore size distribution, wide range to tune the mean pore size, and the flexibility to design the composition and properties of the targeted porous materials, which supply a novel route to fabricate high performance of Si-O-C aerogel and submicrometer ceramic foam, ultra-low dielectric constant materials, micro/nanometer filtration,and also help to find new way to fabricate micro/nano-porous materials from other preceramic polymers.

研究开发高性能的微纳米多孔材料及其快速、低成本制备方法和工艺对工业应用和学科发展都有重要意义。本项目拟以聚硅氧烷为陶瓷前驱体，通过与特殊高分子溶剂共固化诱导微相分离-热解工艺，制备包括气凝胶在内的孔隙率20-90%、孔径2-5000nm可调的微纳米多孔Si-O-C陶瓷。通过对前驱体和溶剂体系分子结构的合理设计与恰当匹配及固化条件的调整来控制前驱体凝胶的相分离微结构，从而可根据应用需要在很宽的范围内改变多孔陶瓷的孔径大小；而其孔隙率的高低可简单通过溶剂含量来设计和控制。该方法所制备的微纳米多孔陶瓷具有孔径分布窄、孔径及孔隙率可调范围宽、材料的组成与性质可设计性强等优点。本项目的顺利开展将为低成本制备高性能的Si-O-C气凝胶及亚微米泡沫陶瓷、超低介电常数材料、微纳米过滤材料等提供新的途径，也为其它聚合物陶瓷前驱体制备高性能微纳米多孔材料提供了新思路。

与孔径在微米级以上的常规多孔材料相比，微纳米多孔材料因具有高比表面积、更优良的隔热性能和相同密度下更高的强度、以及其它微纳米孔所赋予的特殊用途，已成为能源、环保、石油化工、航空航天等领域中的研究开发热点。发展新型的微纳米多孔材料体系及其高效和经济可靠的制备方法是对基础研究和工业应用均非常重要的研究课题。.本项目以具有高陶瓷产率的聚硅氧烷为SiOC前驱体，以可完全降解的甲基硅油为致孔溶剂，通过共固化诱导微相分离和热解工艺，制备了孔隙率20-90%、孔径10-3000nm可调的微纳米多孔Si-O-C陶瓷。通过对前驱体和溶剂分子结构的合理设计与恰当匹配及固化条件的调整来控制前驱体凝胶的相分离微结构，从而可根据应用需要在很宽的范围内改变多孔陶瓷的孔径大小；而其孔隙率的高低可简单通过溶剂含量来设计和控制。通过引入部分铝杂原子可提高多孔SiOC的高温耐氧化性能。除了多孔陶瓷，还研究了通过溶剂交换，和合适的热处理温度（500~700℃），来制备聚硅氧烷有机树脂基和有机无机杂化的微纳米多孔材料。结果表明，优化条件下，无论是块体材料还是薄膜涂层材料，均具有超疏水特性，其超水特性可耐受300~400℃的高温。最后，还制备了陶瓷纤维增强的微纳米多孔复合材料，开展了机械强度、导热系数，以及介电特性调控研究。.本项目方法所制备的微纳米多孔材料具有孔径分布窄、孔径及孔隙率可调范围宽、材料的组成与性质可设计性强等优点，为低成本制备高性能的硅树脂基及陶瓷基类气凝胶及亚微米多孔材料、透明耐温超疏水涂层、微纳米过滤材料等提供了新的途径，也为其它聚合物陶瓷前驱体制备高性能微纳米多孔材料提供了新思路。