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中年清华大学杨金龙教授课题组与合作者发明烧结不收缩高强度泡沫陶瓷


陶瓷材料在烧结过程中存在自发收缩 ， 特别是高气孔率泡沫陶瓷 ， 其烧结收缩率高达40~80vol% 。 近日 ， 清华大学材料学院杨金龙教授课题组和苏黎世联邦理工学院安德烈教授（Prof. André Studart ， ETH Zürich）课题组共同发明了一种通过金属颗粒自组装制备超稳定的泡沫浆料 ， 首次基于金属颗粒的柯肯达尔效应制备了烧结无收缩且性能优异的Al2O3陶瓷及Al2O3/Al复合材料 ， 揭示了Al核/Al2O3壳层结构在热氧化过程中发生的空心化过程及机理 ， 并进一步利用亚微米级粉体原位空心化造成的膨胀与粉体烧结收缩相抵消 ， 真正实现了陶瓷材料的烧结零收缩甚至是负收缩制备 ， 是一种颠覆性的技术创新 。
中年清华大学杨金龙教授课题组与合作者发明烧结不收缩高强度泡沫陶瓷
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【中年清华大学杨金龙教授课题组与合作者发明烧结不收缩高强度泡沫陶瓷】通过在亚微米级尺度构建多级孔结构 ， 这种新型的空心球组装材料具有超高的力学性能 ， 气孔率为90%的氧化铝泡沫陶瓷抗压强度高达14.8 MPa ， 可见报道类似泡沫陶瓷的2~10倍 ， 如图1和表1所示 。 图2为多级空氧化铝泡沫陶瓷显微结构 。 该研究工作还论证了该思路结合3D打印、冷冻注模工艺、凝胶注模成型工艺等不同方式构建多级孔材料的普适性 ， 为近净尺寸制备轻质高强陶瓷材料提供了新思路 。
中年清华大学杨金龙教授课题组与合作者发明烧结不收缩高强度泡沫陶瓷
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图1 空心微珠组装多级孔陶瓷的力学性能
中年清华大学杨金龙教授课题组与合作者发明烧结不收缩高强度泡沫陶瓷
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表1 烧结不收缩Al/Al2O3复合泡沫材料与传统亚微米粉体制备的氧化铝泡沫陶瓷对比
中年清华大学杨金龙教授课题组与合作者发明烧结不收缩高强度泡沫陶瓷
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图2 多级空氧化铝泡沫陶瓷显微结构
相关研究成果申请发明专利 ， 并以“通过胶体自组装和金属颗粒氧化构筑的超强多级孔材料”（Ultra-strong hierarchical porous materials via colloidal assemblyand oxidation of metal particles）为题发表在期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.202003550） 。 主编和审稿人对该研究工作给予高度评价：“此篇文章应作为非常重要的文章（VIP）发表 。 该文章的工作是材料的科学与技术两方面的重大进步 ， 这种新型构筑陶瓷材料的过程可以制备比其他方法具有更高强度的氧化铝泡沫陶瓷 ， 特别是对于高气孔率（气孔率在85%-95%之间的）泡沫陶瓷来说 。 该文章报道的制备多维度近零尺寸收缩的泡沫陶瓷 ， 从经济化角度来看 ， 对制造复杂形状器件具有重大意义 。 文章中有许多科学性创新 。 例如利用克肯达尔效应得到的空心球制备宏观陶瓷坯体的想法 ， 是非常具有创造性的；通过控制烧结过程中坯体收缩/膨胀的平衡来实现体积的近零收缩的做法 ， 对于陶瓷制备工艺具有重大贡献 。 文章中将此方法结合于3D打印技术、冷冻注模、凝胶注模等方法 ， 为这种方法在制备复杂形状器件方面的应用奠定了基础 。 ”
该论文通讯作者为清华大学材料学院杨金龙教授和苏黎世联邦理工学院安德烈教授 ， 第一单位为清华大学材料学院 ， 霍文龙博士与张笑妍博士为该文的共同第一作者 。
【来源：化学人生】
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