多金属交联短链预陶瓷前驱体：一分钟空气烧结实现极端环境用高性能复杂组分陶瓷

本研究针对传统预陶瓷聚合物(PCPs)存在的收缩率高、孔隙不可控及高温稳定性差等问题，开发了基于IV-VI族过渡金属(Zr/Cr/V/Mo等)交联的短链预陶瓷前驱体体系。通过电辅助超快热解技术，在1分钟内实现1,073 K空气环境下的陶瓷致密化，所得Zr-Si-O-C-B等多相陶瓷在1,873 K仍保持抗氧化性，为航空航天、电子器件等极端环境应用提供了可扩展的涂层解决方案。

　　

研究背景与意义

在航空航天、能源和国防领域，极端环境对材料的高温稳定性提出严苛要求。传统陶瓷材料面临两大瓶颈：一是粉末烧结法存在组分不均、界面连接差等问题；二是聚合物衍生陶瓷(PDCs)虽具分子级调控优势，但长链聚合物导致热解温度高(>1,000°C)、收缩率大，且需惰性气氛保护。更棘手的是，现有技术难以兼顾快速制备与复杂组分调控——这如同试图在“高温”与“高效”之间走钢丝。

马里兰大学材料科学与工程系Saurabh Khuje团队另辟蹊径，将短链预陶瓷聚合物(PCS)与IV-VI族过渡金属(Zr/Hf/Cr等)盐交联，结合导电填料(ZrB₂)和电辅助热解技术，在1分钟内实现空气环境下的陶瓷转化。这项发表于《Matter》的研究，如同为陶瓷制造按下“快进键”：无需添加剂或外部压力，即可在铜、钽等复杂基底上获得抗氧化温度达1,873 K的致密涂层。

关键技术方法

1. 分子设计：以聚二甲基硅烷(PDM)为起点，通过ZrCl₄等金属盐交联制备短链M-PCS前驱体，结合FTIR验证Si-H/Zr-Cl键转化
2. 高通量筛选：通过电阻变化(ΔR)评估10种ZrB₂:Zr-PCS配比与5种溶剂比例，优化出2:1+0.6 wt%溶剂体系
3. 挤出成型：将前驱体浆料挤出涂覆于3D铜泡沫等复杂几何表面
4. 电热解技术：采用40W直流电源在60秒内完成1,073 K烧结，升温速率达200 K/s

研究结果

微观结构调控

通过TEM揭示ZrB₂纳米颗粒被石墨碳层包裹的核壳结构（间距d₍₀₀₂₎=3.54 ?），而EDS显示Zr/Si/O元素在陶瓷基体中均匀分布。这种多相结构（含ZrB₂/ZrO₂/SiC）使密度达4.2 g/cm³，较传统PDCs提升30%。

极端环境性能

氧氢火炬测试（1,423 K）显示，涂层使铜基体电阻变化率ΔR<5%。当钽箔涂层暴露于1,873 K大气环境30分钟后，SEM未观测到相分离或氧化，归因于：

1. ZrO₂原位形成氧扩散屏障
2. 石墨碳层延缓金属氧化动力学
3. 多金属协同效应提升晶格畸变能

研究结论

该研究突破传统陶瓷制备范式：

1. 时间革命：将热解时间从数小时缩短至1分钟，且无需惰性气氛
2. 组分创新：通过多金属交联实现Zr-Si-O-C-B等15种可调组分
3. 应用拓展：涂层厚度可低至50μm仍保持1,773 K抗氧化性，适用于电子器件热管理

正如Ashby图谱所示，该方法在密度（4.2 g/cm³）与热解温度（1,073 K）指标上超越90%现有技术。未来通过机器学习优化金属配比，或可进一步解锁如Cr-Si-Nb-C等新型超高温陶瓷体系，为下一代高超声速飞行器热防护系统提供材料库。