陶瓷材料在燒結(jié)過(guò)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%。近日，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(guò)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(wú)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(guò)程中發(fā)生的空心化過(guò)程及機(jī)理，并進(jìn)一步利用亞微米級(jí)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。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://doi.org/10.1002/adfm.202003550

通過(guò)在亞微米級(jí)尺度構(gòu)建多級(jí)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)14.8 MPa，可見(jiàn)報(bào)道類似泡沫陶瓷的2~10倍，如圖1和表1所示。圖2為多級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)比。

圖2. 多級(jí)空氧化鋁泡沫陶瓷顯微結(jié)構(gòu)。

相關(guān)研究成果申請(qǐng)發(fā)明專利，并以“Ultra-strong hierarchical porous materials via colloidal assembly and oxidation of metal particles”（通過(guò)膠體自組裝和金屬顆粒氧化構(gòu)筑的超強(qiáng)多級(jí)孔材料）為題發(fā)表在期刊Advanced Functional Materials。主編和審稿人對(duì)該研究工作給予高度評(píng)價(jià)：

“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(guò)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(duì)于高氣孔率（氣孔率在85%-95%之間的）泡沫陶瓷來(lái)說(shuō)。該文章報(bào)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(lái)看，對(duì)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(guò)控制燒結(jié)過(guò)程中坯體收縮/膨脹的平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)體積的近零收縮的做法，對(duì)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)。”