改进的高分子网络凝胶法制备超高气孔率氧化锆陶瓷

本项目属于有机和无机的交叉研究领域，创新之处在于首次采用高分子网络凝胶法制备高气孔率陶瓷块体，提出逐步缓释应力的方法以解决凝胶干燥和煅烧过程中的开裂问题，这种改进的制备工艺不仅具有工艺简单、成本较低的优点，而且非常有潜力制备出气孔率在90%以上的超轻质低热导陶瓷块体。.该工艺的主要思路是采用有机高分子聚合物构建三维网络的方式提供模板和支撑构架，结合纳米原位合成方法并使之构建成孔壁，然后在逐步缓释应力思想的指导下使有机网络逐步收缩并消失，最终形成具有超高气孔率、开孔结构和超薄孔壁的陶瓷材料。.本项目的研究重点一方面致力于改进高分子网络凝胶法工艺以制备出结构完整的多孔陶瓷块体，另一方面研究多孔氧化锆陶瓷的制备工艺、结构和性能之间的关系，目的在于制备出可应用的超低热导率氧化锆多孔材料。本项目具有良好的研究潜力和应用前景，研究成功以后可推广到其他多孔陶瓷的制备领域。

采用改进的高分子网络凝胶法制备出多孔氧化锆（YSZ）陶瓷材料，高分子聚合物构建三维网络提供支撑，纳米陶瓷晶粒原位生成并构建成孔壁，通过加入有机缓释剂，控制干燥，优化排胶工艺等方式逐步缓释应力，制备出气孔率高达90%的YSZ陶瓷材料(晶粒尺寸为～200nm，具有微米，亚微米和纳米级气孔)，该方法可显著降低YSZ相形成温度，600ºC时即开始形核。. 对比水、乙醇和叔丁醇等溶剂对凝胶注模工艺的影响，阐述了溶剂的作用机理。凝胶注模工艺制备的YSZ材料具有三维网络结构的开气孔，热导率分布与EMT公式比较吻合。采用YSZ短纤维增强上述YSZ多孔陶瓷，当纤维加入量为10%和15%时，材料的强度明显提高。随着纤维的增多，断裂方式从脆性断裂向韧性断裂转变，显著提高了材料的可靠性。. 成功制备了粘度低于1Pa•s、固含量高达50vol%的叔丁醇基YSZ陶瓷浆料，并以单分散PMMA微球作为造孔剂制备YSZ多孔陶瓷。浆料固含量较高时，制备的材料结构更加均匀，孔壁更加致密，强度更高。由造孔剂形成的球形孔均匀分布在材料中。随着烧结温度从1350ºC提高至1550ºC，气孔的平均尺寸从16.9μm降低至15.7μm。随着PMMA的增多，孔壁的厚度随之减小，气孔率增加，强度降低，热导率向Maxwell–Eucken公式1拟合的曲线靠近。当气孔率从72%降至45%时，热导率从0.17W/m•K增至0.65W/m•K，压缩强度从15MPa增至140MPa。在上述材料中引入YSZ短纤维增强，不仅提高了气孔率，而且使材料保持较高强度，当气孔率为~70%时，压缩强度可达20MPa以上，且制备较大尺寸样品时可显著减少开裂的发生。. 本项目改进和拓展了高性能多孔YSZ陶瓷材料的制备方法，分析和阐述了多孔YSZ陶瓷材料结构和气孔率对热导率和强度的影响规律，对防/隔热材料的选用和设计具有重要的意义。研究成果在《Journal of the American Ceramic Society》，《Journal of the European Ceramic Society》，《Ceramics International》，《Materials Science & Engineering》等期刊发表，在第七届先进陶瓷国际研讨会和64届国际宇航大会上进行了宣讲和展示，获得2项发明专利授权。