【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士后張振邦及所在研究團(tuán)隊(duì)研制了一種具有類珍珠母結(jié)構(gòu)的仿生多孔陶瓷，可以實(shí)現(xiàn)隔熱性能和力學(xué)性能的完美結(jié)合，相關(guān)論文以“Anisotropically Thermal-Protective Porous Ceramics Enabled by Nacre-Like Framework”為題發(fā)表在國際期刊 Advanced Materials上。
 

　　熱防護(hù)材料在航空航天、能源工業(yè)、高溫制造等多個領(lǐng)域有著至關(guān)重要的應(yīng)用。當(dāng)前最為廣泛使用的熱防護(hù)材料是各種式樣的氣凝膠材料。其中，絕大多數(shù)氣凝膠材料為了提高隔熱性能而不斷追求更高的孔隙率。然而，過高的孔隙率導(dǎo)致孔隙之間的支撐結(jié)構(gòu)連貫性差，進(jìn)而嚴(yán)重削弱了其機(jī)械強(qiáng)度。因此，隔熱性能與力學(xué)性能之間的矛盾仍是熱防護(hù)材料研究中的一大難題。反觀自然界，有多種天然生物材料通過其精巧的多級微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兼顧了功能性能與力學(xué)性能。
 

　　受天然珍珠母啟發(fā)，研究人員制備了一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)獨(dú)特的仿珍珠母層狀連續(xù)多孔材料，其兼具較好的力學(xué)性能和各向異性隔熱性能。首先，研究人員發(fā)展了一種自下而上的組裝策略，以制備仿珍珠母多孔陶瓷(圖1)。通過納米纖維輔助蒸發(fā)自組裝將氧化鋁微米片進(jìn)行取向排布制備仿珍珠母復(fù)合薄膜，再將所得復(fù)合薄膜進(jìn)行層疊和燒結(jié)，制備得到仿珍珠母多孔陶瓷。其內(nèi)部高度有序排列的氧化鋁微米片通過礦物橋連接，構(gòu)筑出仿珍珠母層狀連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)。
 

　　圖1. 仿珍珠母多孔陶瓷的制備及表征 a-c)仿珍珠母多孔陶瓷的制備示意圖；d)仿珍珠母復(fù)合薄膜的實(shí)物圖；e)仿珍珠母復(fù)合薄膜的截面掃描電鏡圖片；f，g)仿珍珠母多孔陶瓷的實(shí)物圖；h，i)仿珍珠母多孔陶瓷的截面掃描電鏡圖片

 

　　研究人員系統(tǒng)研究了不同燒結(jié)溫度對仿珍珠母多孔陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的影響，以及該微觀結(jié)構(gòu)對材料力學(xué)和熱學(xué)性能的影響，從而最終實(shí)現(xiàn)對仿珍珠母多孔陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和性能的可控調(diào)控(圖2)。優(yōu)化后的仿珍珠母多孔陶瓷展現(xiàn)出隔熱性能與力學(xué)承載性能相結(jié)合的特性。其內(nèi)在機(jī)理是仿珍珠母多孔陶瓷內(nèi)部由礦物橋連接的氧化鋁微米片構(gòu)筑而成，其中的層狀多孔結(jié)構(gòu)使材料具備了較好的隔熱性能。同時，當(dāng)材料承受載荷時，大量的礦物橋?qū)⑤d荷高效均勻地沿微米片分散開來，緩解了應(yīng)力的局部集中，進(jìn)而提高了材料的力學(xué)性能。
 

　　圖2. 仿珍珠母多孔陶瓷的力學(xué)和隔熱性能 a)不同燒結(jié)溫度制備得到的仿珍珠母多孔陶瓷的截面掃描電鏡圖片；b)不同燒結(jié)溫度制備得到的仿珍珠母多孔陶瓷的壓縮力學(xué)性能；c)不同燒結(jié)溫度制備得到的仿珍珠母多孔陶瓷的隔熱性能；d)不同溫度下仿珍珠母多孔陶瓷的隔熱性能；e，f)仿珍珠母多孔陶瓷與多種熱防護(hù)材料的性能對比圖

 

　　同時，制備得到的仿珍珠母多孔陶瓷還具有獨(dú)特的各向異性導(dǎo)熱性能(圖3)，其面外方向具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)，面內(nèi)方向具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。這種各向異性可以使材料具備更加高效的熱防護(hù)和熱管理功能，具有非常重要的應(yīng)用價值。一方面，面外方向上較高的隔熱性能可以使材料較好地隔絕外部的熱量。另一方面，面內(nèi)方向上相對較高的導(dǎo)熱性能可以使材料有效地將熱量分散開來，避免了熱量在外表面的局部集中。
 

　　圖3. 仿珍珠母多孔陶瓷的各向異性導(dǎo)熱性能 a)仿珍珠母多孔陶瓷的面內(nèi)和面外導(dǎo)熱系數(shù)；b)不同溫度下仿珍珠母多孔陶瓷的導(dǎo)熱性能各向異性比；c)仿珍珠母多孔陶瓷與多種熱防護(hù)材料的導(dǎo)熱性能各向異性的對比圖；d，e)仿珍珠母多孔陶瓷中導(dǎo)熱性能各向異性的機(jī)理示意圖；f，g)仿珍珠母多孔陶瓷以面內(nèi)和面外方向放置于熱臺后的溫度變化

 

　　此外，研究人員還對制備得到的仿珍珠母多孔陶瓷進(jìn)行了防火隔熱性能的研究(圖4)。該材料的全陶瓷組分使其在高溫下仍可保持結(jié)構(gòu)的完整性。同時，通過熱紅外相機(jī)觀察其背面溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，在火焰灼燒十分鐘后該材料的背面溫度仍可維持在較低的水平。這些結(jié)果都進(jìn)一步證明了仿珍珠母多孔陶瓷作為熱防護(hù)材料在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的防火隔熱性能。
 

　　圖4. 仿珍珠母多孔陶瓷的防火隔熱性能 a)仿珍珠母多孔陶瓷的防火性能測試示意圖；b，c)仿珍珠母多孔陶瓷在防火測試中背表面的溫度變化；d)仿珍珠母多孔陶瓷表面在高溫前后的掃描電鏡圖片

 

　　該項(xiàng)工作提出了一種自下而上的組裝策略，以制備大尺寸仿珍珠母多孔陶瓷。這種仿生多孔陶瓷材料內(nèi)部具有獨(dú)特的層狀連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)，使其兼具較好的力學(xué)性能和隔熱性能。此外，該材料還具有各向異性的導(dǎo)熱性能，在有效隔熱的同時，可以避免熱量在材料外表面的局部集中。這些優(yōu)勢使得這種仿珍珠母多孔陶瓷有望作為承載-隔熱一體化材料應(yīng)用于多種熱防護(hù)領(lǐng)域。
 

　　張振邦為論文第一作者，俞書宏院士為論文通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。本研究得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、新基石研究員項(xiàng)目、深圳市科技計(jì)劃、南科大科研啟動及啟動配套經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。