清華大學楊金龍教授課題組合作發明燒結不收縮高強度泡沫陶瓷

2020-08-12 小材科研

陶瓷材料在燒結過程中存在自發收縮，特別是高氣孔率泡沫陶瓷，其燒結收縮率高達40~80vol%。近日，清華大學材料學院楊金龍教授課題組和蘇黎世聯邦理工學院安德烈教授（Prof.André Studart，ETH Zürich）課題組共同發明了一種通過金屬顆粒自組裝製備超穩定的泡沫漿料，首次基於金屬顆粒的柯肯達爾效應製備了燒結無收縮且性能優異的Al2O3陶瓷及Al2O3/Al複合材料，揭示了Al核/ Al2O3殼層結構在熱氧化過程中發生的空心化過程及機理，並進一步利用亞微米級粉體原位空心化造成的膨脹與粉體燒結收縮相抵消，真正實現了陶瓷材料的燒結零收縮甚至是負收縮製備，是一種顛覆性的技術創新。

通過在亞微米級尺度構建多級孔結構，這種新型的空心球組裝材料具有超高的力學性能，氣孔率為90%的氧化鋁泡沫陶瓷抗壓強度高達14.8MPa，可見報導類似泡沫陶瓷的2~10倍，如圖1和表1所示。圖2為多級空氧化鋁泡沫陶瓷顯微結構。該研究工作還論證了該思路結合3D列印、冷凍注模工藝、凝膠注模成型工藝等不同方式構建多級孔材料的普適性，為近淨尺寸製備輕質高強陶瓷材料提供了新思路。

圖1 空心微珠組裝多級孔陶瓷的力學性能

表1 燒結不收縮Al/Al2O3複合泡沫材料與傳統亞微米粉體製備的氧化鋁泡沫陶瓷對比

圖2 多級空氧化鋁泡沫陶瓷顯微結構

相關研究成果申請發明專利，並以「通過膠體自組裝和金屬顆粒氧化構築的超強多級孔材料」（Ultra-strong hierarchical porous materials via colloidal assembly and oxidation of metal particles）為題發表在期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。主編和審稿人對該研究工作給予高度評價：「此篇文章應作為非常重要的文章（VIP）發表。

該文章的工作是材料的科學與技術兩方面的重大進步，這種新型構築陶瓷材料的過程可以製備比其他方法具有更高強度的氧化鋁泡沫陶瓷，特別是對於高氣孔率（氣孔率在85%-95%之間的）泡沫陶瓷來說。該文章報導的製備多維度近零尺寸收縮的泡沫陶瓷，從經濟化角度來看，對製造複雜形狀器件具有重大意義。文章中有許多科學性創新。例如利用克肯達爾效應得到的空心球製備宏觀陶瓷坯體的想法，是非常具有創造性的；通過控制燒結過程中坯體收縮/膨脹的平衡來實現體積的近零收縮的做法，對於陶瓷製備工藝具有重大貢獻。文章中將此方法結合於3D列印技術、冷凍注模、凝膠注模等方法，為這種方法在製備複雜形狀器件方面的應用奠定了基礎。」

該論文通訊作者為清華大學材料學院楊金龍教授和蘇黎世聯邦理工學院安德烈教授，第一單位為清華大學材料學院，霍文龍博士與張笑妍博士為該文的共同第一作者。

來源：清華大學

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003550

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