هل سمعت كثيرًا عن المواد البوليمرية العضوية، ولكن ماذا عن المواد غير العضوية؟

إنه الاتجاه الرئيسي في عالم طلاء درجات الحرارة الفائقة: بولي سيلازان.

ما هي الميزات الرئيسية لبولي سيلازان؟

يتكون السياق الجزيئي الرئيسي لجزيئه من روابط Si-N، وتتميز هذه الروابط بزوايا صغيرة تجعل الجزيئات "تشد" بعضها البعض بشدة، مما يجعل من الصعب جدًا على السلسلة الجزيئية أن تلتوي إلى شكل حلقي. ونتيجة لذلك، يصبح من النادر حدوث تفاعلات جانبية "مضللة" مثل إعادة الترتيب أثناء عملية البلمرة.
الفرق في السالبية الكهربية بين Si وN يجعل رابطة Si-N تشبه قليلاً الرابطة الأيونية، مما يجعل بولي سيلازان والمركبات الهيدروكربونية ذات التركيب المماثل تتمتع بخصائص مختلفة جدًا.

علاوة على ذلك، فإن رابطة Si-N "ضعيفة القوة"، حيث تبلغ طاقة الرابطة حوالي 355 كيلوجول/مول فقط، مما يجعلها عرضة بسهولة للتحول إلى روابط كيميائية أخرى.

علاوة على ذلك، فإن روابط Si-N وSi-H وN-H في البولي سيلازان هي خاصةً "دافئة"، وتستطيع التفاعل مع العديد من المواد مثل الماء والكحولات عبر تفاعلات مثل التحلل المائي والتكثيف، مما يجعلها شديدة النشاط الكيميائي.

لكن حاليًا، تطبيق البولي سيلازان أقل انتشارًا بكثير مقارنةً بالبولي سيلوكسان. يرجع ذلك أساسًا إلى أن طرق تحضيره ما زالت غير مكتملة، كما أن بنية جزيئات المنتج معقدة، ووزنها الجزيئي منخفض عمومًا؛ بالإضافة إلى أنها نشطة جدًا، مما يجعلها عرضة للتفاعل بسهولة مع الجزيئات القطبية في البيئة، مما يجعل تخزينها ونقلها أمرًا مزعجًا للغاية.

تبلغ منطقة مقاومتها لدرجات الحرارة العالية من 400 إلى 1300℃، ويمكن أن تتفكك تحت ظروف درجات الحرارة العالية إلى SiCN أو SiCNO أو سيراميك ثاني أكسيد السيليكون، وتصل صلابتها بعد التصلب إلى أكثر من 8H؛

وتتميز بثبات كيميائي ممتاز، حيث تظل محتفظة بهيكلها الكامل في البيئات الحمضية والقلوية، وفي ظل الإشعاع عالي الطاقة وظروف رذاذ الملح، كما أن قوتها العازلة تبلغ ≥10⁵ فولت/مم، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في مجال العزل الإلكتروني.

منذ أن تم اصطناع هذه المادة لأول مرة عام 1921 من خلال تفاعل الأمونيا مع كلوروسيلان، ظلت تعاني من صعوبات طويلة الأمد في التخزين والنقل، بالإضافة إلى عدم انتظام توزيع الوزن الجزيئي للمنتج، وذلك بسبب نشاطها التفاعلي العالي وصعوبة التحكم في عملية التحضير. وفي تسعينيات القرن العشرين، أحدثت طريقة تصنيع سيراميك Si-B-C-N عن طريق إدخال عنصر البورون طفرة تقنية دفعت بعملية البحث في مجال بوليسيلوزانز المعدل.

المناطق الأساسية لتطبيق البولي سيلازان

1. الطلاء العازل في تصنيع أشباه الموصلات

في إنتاج رقائق بعمليات تصنيع أصغر من 5 نانومتر، يُستخدم البولي سيلازان كمادة للطبقة العازلة، مما يتيح حماية كهرومغناطيسية فعّالة على المقياس النانوي. حاليًا، تعتمد المنتجات الراقية بشكل رئيسي على توريدات شركات مثل "شين-إيتو" اليابانية و"كولايون" السويسرية، بينما تمكنت منتجات مجموعة PSN التابعة للمعهد الصيني للكيمياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم من تحقيق بديل في الفئات المتوسطة والمنخفضة، حيث تم استخدامها بالفعل في تصنيع رقائق 3D NAND الخاصة بشركة تشانغجيانغ للتخزين.

1. مواد الحماية في مجالات الطاقة الشمسية والفضاء

تطبيقات الوحدات الكهروضوئية: اللوحات الكهروضوئية المعالجة بطبقة من البولي سيلازان، بعد تعرضها لدرجة حرارة مرتفعة تبلغ 800℃ لمدة 24 ساعة ثم خضوعها لاختبار التبريد المائي السريع، لم تظهر أي تغير في اللون أو تشققات على السطح، مما يزيد من مقاومتها للعوامل الجوية بأكثر من 3 أضعاف مقارنة بالمواد التقليدية.

تطبيقات المواد الفضائية: تتميز بقدرتها على مقاومة الإشعاع، مما يلبي احتياجات أجزاء الأقمار الصناعية للعمل في الفضاء لأكثر من 20 عامًا. وتستخدم ناسا الأمريكية نظامًا مماثلاً من المواد لغلاف مستشعرات المركبة المريخية "برسيفيرانس". كما تم بالفعل استخدام مادة سيراميكية مركبة قائمة على Si-C-N في بطانة حلق محركات مركبة سبيس إكس "ستارشيب".

3. الحماية من الحرارة العالية لمحركات الطائرات

تُنتج طبقة السيراميك SiCN الناتجة عن تحلل البولي سيلازين درجات حرارة عالية لحظية تتجاوز 3000℃، وتُستخدم حاليًا في حماية أسطح شفرات التوربينات في محركات الطائرات، مما يسمح للمكونات بالحفاظ على تشغيل مستقر في ظروف عمل عند 1200℃.

الحواجز التقنية والتقدم في البدائل المحلية

1. النمط الدولي للاحتكار التكنولوجي

في السوق العالمية لبولي سيلازان، تستحوذ شركات مثل كلاين السويسرية وتوري اليابانية على أكثر من 90% من حصة المنتجات الراقية، حيث تتركز التقنيات الأساسية في عملية التصنيع عالية النقاء للبولي سيلازان المشبع بالهيدروجين الكامل (PHPS)، والتي يجب أن تصل درجة نقاوتها إلى ما يزيد عن 99.999%. وفي مجال خلايا الوقود الهيدروجينية، يمكن لغشاء التبادل البروتوني المعدل باستخدام بولي سيلازان رفع درجة حرارة التشغيل من 80℃ إلى 180℃. وقد بدأت طرازات الجيل الجديد من سيارة تويوتا ميراي بالفعل تجارب ميدانية على الطلاءات ذات الصلة، بهدف زيادة كفاءة خلايا الوقود بنسبة 15%.

1. صعوبات عملية التصنيع

شروط التفاعل صارمة: يجب التحكم في درجة الحرارة ضمن نطاق ±2℃ أثناء عملية البلمرة، ويجب ألا تتجاوز نسبة خطأ خليط المحفز 0.1%، وإلا قد يؤدي ذلك بسهولة إلى كسر رابطة Si-N وتدهور أداء المنتج؛ كما أن المعالجة اللاحقة معقدة: نظرًا لحساسية البولي سيلازوتان تجاه الماء والأكسجين، يجب إجراء عملية التنقية في جو خامل، مما يزيد من تكاليف الإنتاج.

1. اختراق تقني محلي

تم بالفعل استخدام طلاء مقاوم للحرارة بدرجة 600℃، الذي طورته شركة China Shipbuilding Industry Corporation، في الطبقة المانعة للانزلاق على سطح حاملة الطائرات؛ كما قام باحثون محليون بتطوير طلاء من مادة البولي سيلازين يمكنه إطلاق تفاعل التسيراميك تلقائيًا عند حدوث الشقوق، وذلك من خلال إدخال مجموعات وظيفية مستجيبة للرطوبة. ومن المتوقع أن تُطبَّق هذه التقنية هندسيًا لحماية هيكل المركبات الفضائية بحلول عام 2025. كما حققت ألياف سيراميك Si-C-N التي صنعتها شركة في مدينة شيان قوة شد تصل إلى 3.2 غيغاباسكال، وهي قريبة جدًا من المستوى التقني الياباني لشركة Toray البالغ 4.5 غيغاباسكال، إلا أنه لا يزال هناك فرق في توحيد قطر الألياف ونعومة سطحها.

القيمة الاستراتيجية لتكنولوجيا المواد

يُعتبر بولي سيلازوتان مادة نموذجية تُعرف بـ "العقبة الرئيسية"، وتتطلب الاختراقات التكنولوجية فيها تصميمًا جزيئيًا وعمليات اصطناعية وتطبيقات هندسية تمتد عبر سلسلة كاملة. حاليًا، تمكنت البلاد من تحقيق البدائل في مجال درجات الحرارة المتوسطة، لكن لا تزال المواد المستخدمة في مجال الفضاء بدرجة 1300℃ تعتمد على الواردات. ومن المتوقع أنه من خلال جهود بحثية تستمر من 5 إلى 8 سنوات، يمكن تحقيق السيطرة الذاتية على مواد بولي سيلازوتان عالية الجودة، مما يوفر دعمًا حيويًا للمواد الأساسية في المجالات الاستراتيجية مثل تصنيع الرقائق وهندسة الفضاء.