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清華大學《MT》IF=26.416：破紀錄！制備高達1400°C超絕熱高強泡沫”陶瓷！

2021-03-15 11:28:16 作者：本網整理來源：材料學網分享至：

導讀：本文利用耐火陶瓷的高溫穩定性，開發一種新方法制造空心納米晶，實現超絕熱材料在廣泛的溫度范圍，在這里，氣體的空隙大多是孤立在單個顆粒中，尺寸與空氣分子的平均自由程相當，通過克努森效應降低熱傳導。用空心La2Zr2O7陶瓷證明了這一普遍概念，并證明了極低的導熱系數（0.016?W/（m yahk）），這是迄今為止硬質材料在室溫以上的最低導熱系數。同時厘米尺度的樣品還具有超高的抗壓強度（251?MPa），彎曲抗拉強度高達100?MPa，在空氣中具有優異的熱穩定性，高達1400℃。

晶體陶瓷納米線（1D）和納米殼（2D）在彎曲甚至拉伸方面具有驚人的機械強度。如果將其適當地組裝到閉孔泡沫或開孔納米晶格中，3D組件將具有令人滿意的缺陷容忍度。通過明智地控制氣孔拓撲和幾何形狀的多孔材料設計可以將宏觀固體的有效特性改變幾個數量級。特別是，已經表明，通過調整多孔結構的孔隙率（范圍從幾個到> 95vol％）、孔徑（范圍從幾納米到幾毫米）、形狀、互連性和分布，可以使導熱特性發生很大變化。所有這些都受到制造方法的強烈影響。例如，大量的空心微/納米結構已經通過硬/軟/犧牲模板合成，并已用于增強熱絕緣性，其中空腔尺寸減小到約≤350 nm導致有效熱導率明顯降低。然而，為了獲得超低的導熱率，通常需要高的孔隙率，即低的密度，這常常導致較差的機械完整性。幸運的是，如果適當設計材料的微體系結構，則可以大大減緩機械降解。

在此，清華大學王長安教授團隊在La2Zr 2 O 7 （LZO）上利用了這樣的設計自由度，這是一種難熔陶瓷，其熱導率較低，并且比氧化釔穩定的氧化鋯（YSZ）具有更好的熱穩定性。在精心設計的中空多晶（稱為“ Voronoi泡沫”）中有效的熱導率可以再降低兩個數量級，同時保持令人滿意的強度特性（作為硬質材料），目前提出的合成策略是通用的，可以應用于許多晶體陶瓷材料。相關研究成果以題“Hollow-grained ”Voronoi foam“ ceramics with high strength and thermal superinsulation up to 1400?°C”發表在國際材料頂級期刊materials today上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121000511

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空心顆粒結構類似于3D空間的Voronoi分隔，分隔中心位于每個晶粒中球形孔的起點，因此我們將此結構稱為“ Voronoi納米泡沫”（圖1）。為了延遲粗化，孔需要高度單分散，從而能夠在高達1400°C的溫度下保持熱穩定性。

圖1 本研究開發的兩步燒結過程示意圖。

圖2。a）通過水熱法獲得的碳球的SEM和b）TEM圖像；c）涂覆后的La 2 Zr 2 O 7-碳雜化復合材料的SEM和d）TEM圖像。

圖3。中空晶粒La 2 Zr 2 O 7陶瓷的微觀結構。a）在800°C的空氣中煅燒12 h后的橫截面全景圖和b）高倍SEM圖；c）TEM圖像和d）相應的主體SEAD模式。插入物代表四開十二面體模型；e）汞的侵入結果表明了孔隙度的分布，插圖的疊置柱狀圖顯示了封閉孔隙度和開放孔隙度；f）傳熱路徑的圖示，其中藍色骨架代表LZO殼，綠色箭頭表示通過氣相的傳熱，酒箭頭表示通過LZO相的傳熱。

圖6。Voronoi納米泡沫結構的形成機理。a）在1650°C燒結之前的生坯。紅色，藍色，綠色的實心圓圈表示碳球，微孔外層表示非常小的隨機取向的陶瓷納米顆粒。未填充的圓圈表示“影響圈”，其中晶粒粗化大大加快了速度。b）1：2排列的插圖，其中一個碳球，被兩個顆粒包圍）。c）到完全消除粗糙的接觸界面時，形成1：1排列。d）2：1排列的圖示，其中兩個碳球被一個晶粒包圍。e）燒結后的Voronoi結構，

總之，空心晶粒的La2Zr2O7 “沃羅諾伊納米泡沫”在寬的溫度范圍內具有超低的熱導率、足夠的機械強度和優異的熱穩定性，在能源、航空航天、制造和微電子工業等具有挑戰性的機械環境作為隔熱材料和腐蝕保護層具有潛力。多孔陶瓷具有獨特的性能，可以將宏觀性能調整幾個數量級，同時仍保持晶體陶瓷非凡的熱穩定性和腐蝕穩定性。通過設計，它堅定地展示了納米技術在高溫應用中的原理和力量。

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