聚合物衍生陶瓷

聚合物衍生陶瓷（Polymer derived ceramic，PDC）是通過對陶瓷前驅體聚合物進行熱解（通常在惰性氣氛下）所形成的陶瓷材料。^[1]

陶瓷前驅體聚合物家族的常見示例

PDC的組成最常包括碳化硅（SiC）、硅氧碳化物（SiO_xC_y）、氮化矽（Si₃N₄）、碳氮化硅（Si_3+xN₄C_x+y）^[2]和氮氧化硅（SiO_xN_y）。^[3]PDC的組成、相分布和結構取決於所用預陶瓷聚合物前驅體及熱解條件。

此類陶瓷材料的關鍵優勢在於使用聚合物前驅體帶來的加工及成型的多樣性。聚合物衍生陶瓷可以通過增材製造（3D 打印）實現，例如通過熔融沉積成型^[4]，或採用以光聚合為基礎的立體光刻造型^[5]。這種PDC加工常用於需要複雜形狀的耐高溫、耐腐蝕材料領域，這些形狀通過傳統的燒結和注漿成型（英語：Slip casting）方法難以實現。PDC也常用於合成多孔及介孔材料（英語：Mesoporous material）^[6]及薄膜^[7]。

化學

PDC主要通過對預陶瓷聚合物進行熱解製備。

聚合物衍生陶瓷加工

在陶瓷前驅體聚合物家族中，矽氧樹脂是最著名的預陶瓷聚合物。其主鏈由硅和氧原子構成。含有有機基團的多聚硅氧烷稱為有機硅氧烷聚合物，例如聚硼硅氧烷、聚碳硅氧烷等。另一類重要的預陶瓷聚合物是聚碳硅烷及聚（有機）碳硅烷，其主鏈包含交替的碳和硅原子。同樣，由Si–N鍵組成的聚合物則歸為聚硅氮烷（英語：Polysilazane）、聚有機硅氮烷和聚有機硅-碳二亞胺。^[8]不同的聚合物組成會影響加工溫度、微觀結構轉變、陶瓷產率及穩定性。^[9]

陶瓷前驅體聚合物向PDC的轉化可分為成型、交聯、熱解和結晶四個階段。通常，PDC加工在1100-1300 °C完成。若要形成結晶PDC，有些材料需在超過1700 °C的條件下進行結晶。^[10]

特性

PDC具有多種特性，包括：^[11]

• 機械性能：高硬度、高強度。
• 極端環境穩定性：良好的熱穩定性、抗氧化及抗腐蝕性。
• 粘接特性：高附着力、低表面張力。
• 耐久性：耐磨損、抗污及抗生物膜形成。
• 低毒性和良好生物相容性。

將PDC與其他材料復配，可開發出具有多重性能的PDC複合材料，拓展其在生物醫用、電氣、磁性、工程及光學等領域的應用。^[12]

用途

塗料

聚合物衍生陶瓷及其基材料的代表性應用

與其他塗層方法相比，PDC加工的熱處理（如熱噴塗）簡單且成本低廉。PDC塗層常用於電子設備元件及氣體分離膜。由於PDC材料的固有穩定性，這些塗層也廣泛用於環境隔離塗層（EBC）。^[13]

3D打印

基於熔融沉積成型的3D打印可用於PDC加工，應用於熱交換器、散熱器、骨組織支架、化學/氣體過濾器及開源硬件。^[14]3D打印特定的直接墨寫（英語：Robocasting）、立體光刻造型和數字光處理技術可將陶瓷前驅體聚合物的結構從納米尺度到宏觀尺度進行精確控制，從而促進先進陶瓷材料的製備與集成。^[15]

生物醫學工程

具有生物相容性的PDC及其複合材料可應用於各類生物系統，通常用於製備具有多功能界面或複雜形狀的生物醫用器件，如組織再生、植入體設計、藥物傳遞和創面敷料。^[16][17]

電子產品

混合型PDC材料可用於鋰離子電池基底、傳感器、執行器及高溫電氣設備等。常見的PDC複合材料加工策略包括化學改性、與金屬或金屬氧化物共混，以及引入功能填料。^[18]