ポリマー由来セラミックス

ポリマー由来セラミックス（PDC）は、通常は不活性雰囲気下でプレセラミックポリマーの熱分解によって形成されるセラミック材料です。^[1]

PDCの最も一般的な組成には、シリコンカーバイド（SiC）、シリコンオキシカーバイド（SiO _x C _y）、シリコン窒化物（Si ₃ N ₄）、シリコン炭窒化物（Si _3+x N ₄ C _x+y）^[2]、シリコンオキシ窒化物（SiO _x N _y）^[3]が含まれます。PDCの組成、相分布、構造は、使用されるポリマー前駆体化合物と適用される熱分解条件によって異なります。

このタイプのセラミック材料の主な利点は、加工と成形の点でポリマー前駆体を使用することで得られる汎用性です。ポリマー由来のセラミックは、溶融フィラメント製造法^[4]、プレセラミックポリマーの光重合を使用するステレオリソグラフィーによって付加的に製造（3Dプリント）できます。^{[5] PDCのこのような加工は、粉末}焼結やスリップキャストなどのより従来のセラミック加工方法では実現が難しい複雑な形状の熱的および化学的に安定した材料を必要とする用途で使用されます。 PDCは、多孔質材料やメソポーラス材料^[6]や薄膜の合成にも役立ちます。^[7]

PDC は主にプレセラミックポリマーの熱分解によって製造されます。

プレセラミックポリマーのファミリーでは、ポリシロキサンが最も有名なプレセラミックポリマーです。骨格はシリコンと酸素原子で構成されています。ポリ(オルガノ)シロキサンは、骨格に有機基を持つポリシロキサンで、例えばポリボロシロキサン、ポリ(カルボシロキサン)などがあります。プレセラミックポリマーのもう1つの重要なカテゴリは、骨格に交互に炭素原子とシリコン原子を含むポリカルボシランとポリ(オルガノ)カルボシランです。同様に、Si-N結合で構成されたポリマーは、ポリシラザン、ポリ(オルガノシラザン)、ポリ(オルガノシリルカルボジイミド)に分類されます。^[8]異なるポリマー組成は、処理温度、微細構造の遷移、セラミックの収率、安定性に影響します。^[9]

プレセラミックポリマーからPDCへの変換は、成形、架橋、熱分解、結晶化の4つの段階に分けられます。通常、PDCの処理は1100℃～1300℃で完了します。結晶性PDCを形成するには、一部の材料では結晶化に通常1700℃を超える高温が必要です。^[10]

PDCは次のような多くの特性を備えています: ^[1]

• 機械的特性：高硬度、高弾性率、高強度。
• 極限環境における安定性：優れた熱安定性、高い酸化耐性、耐腐食性。
• 接着特性：高い接着力と低い表面張力。
• 耐久性：耐摩耗性、防汚性、バイオフィルム形成防止性。
• 毒性が低く、生体適合性も優れています。

PDCと他の異なる特性を持つ材料を組み合わせることで、PDCベースの複合材料の複合特性を高めることができます。PDCベースの複合材料は、PDCの機能と用途を、生物学、医療、電気、磁気、工学、光学などの幅広い分野に拡張することができます。^[11]

他のコーティング方法と比較して、PDC処理の熱処理（例えば、溶射）は簡単で低コストです。PDCコーティングは、電子機器やガス分離膜の優れたコンポーネントです。PDC材料の本質的な安定性により、PDCコーティングは環境バリアコーティング（EBC）にもよく使用されます。^[10]

熱交換器、ヒートシンク、骨組織の成長のための足場、化学/ガスフィルター、カスタムオープンハードウェアなど、幅広い用途でのPDC処理に使用するための3D印刷ベースのポリマー。^[4]直接インク書き込み（ DIW）、ステレオリソグラフィー（SLA）、デジタル光処理（DLP）などの特定の3D印刷技術は、ナノスケールからマクロスケールまでのプレセラミックポリマーの構造を制御できます。PDCの3D印刷は、高度なセラミック材料の製造と統合を容易にします。^[12]

生体適合性PDCおよびPDCベースの複合材料は、さまざまな生物学的システムに適用できます。これらは通常、組織再生、インプラント設計、薬物送達、創傷被覆材などの生物医学的用途向けに、多機能性と複雑な形状を備えたインターフェースまたは表面を製造するために使用されます。^{[13] [14]}

ハイブリッドPDC材料は、リチウムイオン電池、センサー、アクチュエータ、高温電気デバイスなどの基板製造に適しており、調整可能です。電子用途向けPDC複合材料の一般的な処理戦略には、化学修飾、金属または金属酸化物とのブレンド、機能性フィラーの組み込みなどがあります。^[11]