《改進的高分子網路凝膠法製備超高氣孔率氧化鋯陶瓷》是依託清華大學，由周軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：改進的高分子網路凝膠法製備超高氣孔率氧化鋯陶瓷
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：周軍
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目屬於有機和無機的交叉研究領域，創新之處在於首次採用高分子網路凝膠法製備高氣孔率陶瓷塊體，提出逐步緩釋應力的方法以解決凝膠乾燥和煅燒過程中的開裂問題，這種改進的製備工藝不僅具有工藝簡單、成本較低的優點，而且非常有潛力製備出氣孔率在90%以上的超輕質低熱導陶瓷塊體。.該工藝的主要思路是採用有機高分子聚合物構建三維網路的方式提供模板和支撐構架，結合納米原位合成方法並使之構建成孔壁，然後在逐步緩釋應力思想的指導下使有機網路逐步收縮並消失，最終形成具有超高氣孔率、開孔結構和超薄孔壁的陶瓷材料。.本項目的研究重點一方面致力於改進高分子網路凝膠法工藝以製備出結構完整的多孔陶瓷塊體，另一方面研究多孔氧化鋯陶瓷的製備工藝、結構和性能之間的關係，目的在於製備出可套用的超低熱導率氧化鋯多孔材料。本項目具有良好的研究潛力和套用前景，研究成功以後可推廣到其他多孔陶瓷的製備領域。
結題摘要
採用改進的高分子網路凝膠法製備出多孔氧化鋯（YSZ）陶瓷材料，高分子聚合物構建三維網路提供支撐，納米陶瓷晶粒原位生成並構建成孔壁，通過加入有機緩釋劑，控制乾燥，最佳化排膠工藝等方式逐步緩釋應力，製備出氣孔率高達90%的YSZ陶瓷材料(晶粒尺寸為～200nm，具有微米，亞微米和納米級氣孔)，該方法可顯著降低YSZ相形成溫度，600ºC時即開始形核。對比水、乙醇和叔丁醇等溶劑對凝膠注模工藝的影響，闡述了溶劑的作用機理。凝膠注模工藝製備的YSZ材料具有三維網路結構的開氣孔，熱導率分布與EMT公式比較吻合。採用YSZ短纖維增強上述YSZ多孔陶瓷，當纖維加入量為10%和15%時，材料的強度明顯提高。隨著纖維的增多，斷裂方式從脆性斷裂向韌性斷裂轉變，顯著提高了材料的可靠性。成功製備了粘度低於1Pa•s、固含量高達50vol%的叔丁醇基YSZ陶瓷漿料，並以單分散PMMA微球作為造孔劑製備YSZ多孔陶瓷。漿料固含量較高時，製備的材料結構更加均勻，孔壁更加緻密，強度更高。由造孔劑形成的球形孔均勻分布在材料中。隨著燒結溫度從1350ºC提高至1550ºC，氣孔的平均尺寸從16.9μm降低至15.7μm。隨著PMMA的增多，孔壁的厚度隨之減小，氣孔率增加，強度降低，熱導率向Maxwell–Eucken公式1擬合的曲線靠近。當氣孔率從72%降至45%時，熱導率從0.17W/m•K增至0.65W/m•K，壓縮強度從15MPa增至140MPa。在上述材料中引入YSZ短纖維增強，不僅提高了氣孔率，而且使材料保持較高強度，當氣孔率為~70%時，壓縮強度可達20MPa以上，且製備較大尺寸樣品時可顯著減少開裂的發生。本項目改進和拓展了高性能多孔YSZ陶瓷材料的製備方法，分析和闡述了多孔YSZ陶瓷材料結構和氣孔率對熱導率和強度的影響規律，對防/隔熱材料的選用和設計具有重要的意義。研究成果在《Journal of the American Ceramic Society》，《Journal of the European Ceramic Society》，《Ceramics International》，《Materials Science & Engineering》等期刊發表，在第七屆先進陶瓷國際研討會和64屆國際宇航大會上進行了宣講和展示，獲得2項發明專利授權。
