材料學(xué)院楊金龍教授課題組合作發(fā)明燒結(jié)不收縮高強(qiáng)度泡沫陶瓷
????????陶瓷材料在燒結(jié)過程中存在自發(fā)收縮，特別是高氣孔率泡沫陶瓷，其燒結(jié)收縮率高達(dá)40~80vol%。2020年8月10日獲悉，清華大學(xué)材料學(xué)院楊金龍教授課題組和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院安德烈教授（Prof.André Studart，ETH Zürich）課題組共同發(fā)明了一種通過金屬顆粒自組裝制備超穩(wěn)定的泡沫漿料，首次基于金屬顆粒的柯肯達(dá)爾效應(yīng)制備了燒結(jié)無收縮且性能優(yōu)異的Al2O3陶瓷及Al2O3/Al復(fù)合材料，揭示了Al核/ Al2O3殼層結(jié)構(gòu)在熱氧化過程中發(fā)生的空心化過程及機(jī)理，并進(jìn)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(jié)收縮相抵消，真正實(shí)現(xiàn)了陶瓷材料的燒結(jié)零收縮甚至是負(fù)收縮制備，是一種顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新。
????????通過在亞微米級尺度構(gòu)建多級孔結(jié)構(gòu)，這種新型的空心球組裝材料具有超高的力學(xué)性能，氣孔率為90%的氧化鋁泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度高達(dá)14.8MPa，可見報道類似泡沫陶瓷的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(jié)構(gòu)。該研究工作還論證了該思路結(jié)合3D打印、冷凍注模工藝、凝膠注模成型工藝等不同方式構(gòu)建多級孔材料的普適性，為近凈尺寸制備輕質(zhì)高強(qiáng)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(xué)性能
表1 燒結(jié)不收縮Al/Al2O3復(fù)合泡沫材料與傳統(tǒng)亞微米粉體制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(jié)構(gòu)
????????相關(guān)研究成果申請發(fā)明專利，并以“通過膠體自組裝和金屬顆粒氧化構(gòu)筑的超強(qiáng)多級孔材料”（Ultra-strong hierarchical porous materials via colloidal assembly and oxidation of metal particles）為題發(fā)表在期刊《先進(jìn)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(yīng)作為非常重要的文章（VIP）發(fā)表。該文章的工作是材料的科學(xué)與技術(shù)兩方面的重大進(jìn)步，這種新型構(gòu)筑陶瓷材料的過程可以制備比其他方法具有更高強(qiáng)度的氧化鋁泡沫陶瓷，特別是對于高氣孔率（氣孔率在85%-95%之間的）泡沫陶瓷來說。該文章報道的制備多維度近零尺寸收縮的泡沫陶瓷，從經(jīng)濟(jì)化角度來看，對制造復(fù)雜形狀器件具有重大意義。文章中有許多科學(xué)性創(chuàng)新。例如利用克肯達(dá)爾效應(yīng)得到的空心球制備宏觀陶瓷坯體的想法，是非常具有創(chuàng)造性的；通過控制燒結(jié)過程中坯體收縮/膨脹的平衡來實(shí)現(xiàn)體積的近零收縮的做法，對于陶瓷制備工藝具有重大貢獻(xiàn)。文章中將此方法結(jié)合于3D打印技術(shù)、冷凍注模、凝膠注模等方法，為這種方法在制備復(fù)雜形狀器件方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。”
????????該論文通訊作者為清華大學(xué)材料學(xué)院楊金龍教授和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院安德烈教授，第一單位為清華大學(xué)材料學(xué)院，霍文龍博士與張笑妍博士為該文的共同第一作者。
????????論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003550
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