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清华大学《MT》IF=26.416:破纪录!制备高达1400°C超绝热高强泡沫”陶瓷!

作者:材料学网 更新时间:2021-03-26 20:58 来源:材料学网 点击数:727

导读:本文利用耐火陶瓷的高温稳定性,开发一种新方法制造空心纳米晶,实现超绝热材料在广泛的温度范围,在这里,气体的空隙大多是孤立在单个颗粒中,尺寸与空气分子的平均自由程相当,通过克努森效应降低热传导。用空心La2Zr2O7陶瓷证明了这一普遍概念,并证明了极低的导热系数(0.016 W/(m yahk)),这是迄今为止硬质材料在室温以上的最低导热系数。同时厘米尺度的样品还具有超高的抗压强度(251 MPa),弯曲抗拉强度高达100 MPa,在空气中具有优异的热稳定性,高达1400 ℃。

晶体陶瓷纳米线(1D)和纳米壳(2D)在弯曲甚至拉伸方面具有惊人的机械强度。如果将其适当地组装到闭孔泡沫或开孔纳米晶格中,3D组件将具有令人满意的缺陷容忍度。通过明智地控制气孔拓扑和几何形状的多孔材料设计可以将宏观固体的有效特性改变几个数量级。特别是,已经表明,通过调整多孔结构的孔隙率(范围从几个到> 95vol%)、孔径(范围从几纳米到几毫米)、形状、互连性和分布,可以使导热特性发生很大变化。所有这些都受到制造方法的强烈影响。例如,大量的空心微/纳米结构已经通过硬/软/牺牲模板合成,并已用于增强热绝缘性  ,其中空腔尺寸减小到约≤350 nm导致有效热导率明显降低。然而,为了获得超低的导热率,通常需要高的孔隙率,即低的密度,这常常导致较差的机械完整性。幸运的是,如果适当设计材料的微体系结构,则可以大大减缓机械降解。

在此,清华大学汪长安教授团队在La2Zr 2 O 7 (LZO)上利用了这样的设计自由度,这是一种难熔陶瓷,其热导率较低,并且比氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)具有更好的热稳定性。在精心设计的中空多晶(称为“ Voronoi泡沫”)中有效的热导率可以再降低两个数量级,同时保持令人满意的强度特性(作为硬质材料),目前提出的合成策略是通用的,可以应用于许多晶体陶瓷材料。相关研究成果以题“Hollow-grained “Voronoi foam” ceramics with high strength and thermal superinsulation up to 1400 °C”发表在国际材料顶级期刊materials today上。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121000511

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空心颗粒结构类似于3D空间的Voronoi分隔,分隔中心位于每个晶粒中球形孔的起点,因此我们将此结构称为“ Voronoi纳米泡沫”(图1)。为了延迟粗化,孔需要高度单分散,从而能够在高达1400°C的温度下保持热稳定性。

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图1 本研究开发的两步烧结过程示意图。

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图2。a)通过水热法获得的碳球的SEM和b)TEM图像;c)涂覆后的La 2 Zr 2 O 7-碳杂化复合材料的SEM和d)TEM图像。

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图3。中空晶粒La 2 Zr 2 O 7陶瓷的微观结构。a)在800°C的空气中煅烧12 h后的横截面全景图和b)高倍SEM图;c)TEM图像和d)相应的主体SEAD模式。插入物代表四开十二面体模型;e)汞的侵入结果表明了孔隙度的分布,插图的叠置柱状图显示了封闭孔隙度和开放孔隙度;f)传热路径的图示,其中蓝色骨架代表LZO壳,绿色箭头表示通过气相的传热,酒箭头表示通过LZO相的传热。

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图6。Voronoi纳米泡沫结构的形成机理。a)在1650°C烧结之前的生坯。红色,蓝色,绿色的实心圆圈表示碳球,微孔外层表示非常小的随机取向的陶瓷纳米颗粒。未填充的圆圈表示“影响圈”,其中晶粒粗化大大加快了速度。b)1:2排列的插图,其中一个碳球,被两个颗粒包围)。c)到完全消除粗糙的接触界面时,形成1:1排列。d)2:1排列的图示,其中两个碳球被一个晶粒包围。e)烧结后的Voronoi结构,


总之,空心晶粒的La2Zr2O7 “沃罗诺伊纳米泡沫”在宽的温度范围内具有超低的热导率、足够的机械强度和优异的热稳定性,在能源、航空航天、制造和微电子工业等具有挑战性的机械环境作为隔热材料和腐蚀保护层具有潜力。多孔陶瓷具有独特的性能,可以将宏观性能调整几个数量级,同时仍保持晶体陶瓷非凡的热稳定性和腐蚀稳定性。通过设计,它坚定地展示了纳米技术在高温应用中的原理和力量。

本文来自材料学网微信公众号。