2022年哈工大陶瓷領域，5項研究成果簡介！
2023-02-01 16:14:19
作者：材料基 來源：材料基
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陶瓷氣凝膠因其超輕、耐火、耐腐蝕、耐高溫等特性，非常適合用作航空航天領域的隔熱材料。哈爾濱工業大學土木學院李惠和徐翔教授在陶瓷氣凝膠隔熱領域取得重要研究成果。該研究成果報道了一種氣凝膠多尺度超結構設計和制備方法，采用半晶質（hypocrystalline）陶瓷材料設計結合zig-zag宏觀結構設計，賦予陶瓷氣凝膠近零泊松比（3.3×10-4）和近零熱膨脹（1.2×10-7/℃）的“雙零”反常規物理性質，從而獲得了輕質超柔韌、高熱穩定性及高溫超隔熱等特性。
同時，研究團隊創新提出了一種“氣體湍流”輔助靜電紡絲直接制備三維納米纖維陶瓷氣凝膠的方法，拓展了傳統靜電紡絲制備二維膜材料的束縛，為實現材料的多尺度超結構設計、高性能、大規模及低成本制備提供了新思路和新方法。
哈工大航天學院復合材料與結構研究所鄭永挺教授項目組在超高韌性、柱狀晶納米氧化鋁基陶瓷領域取得重要進展。該研究在陶瓷熔體急速冷卻過程中實現了在微納尺度上調控粉體內部的微觀結構，在粉末燒結過程中控制晶粒的幾何特征，為超高韌納米陶瓷的發展提供了新的技術原理。要想制造高韌性的氧化鋁陶瓷，制備出性能優異的ZrO2／Al2O3復合粉體是重要前提。鄭永挺教授項目組首創了“Al-O2超高溫燃燒合成+熔體快速水冷”方法，研制了新型超高溫熔體水冷霧化設備，合成氧化鋁/氧化鋯亞穩態微米粉（圖a），粉體內部微觀結構見（圖b），在燒結致密化過程中，原位誘發了具有高密度多級氧化鋯納米結構、亞微米柱狀晶的氧化鋁基陶瓷（圖c, d），可實現多級納米結構、柱狀晶、氧化鋯t-m相變等多因素的協同增韌，大幅度提高了陶瓷的力學性能，產品兼具極高的硬度（HV20GPa）和極佳的韌性（16MPa•m1/2），其技術原理可廣泛應用于高性能先進陶瓷的生產制造。
相比于傳統納米復合陶瓷的工藝方法，該研究成果產物具有多級高密度、細度均勻的納米結構；實現陶瓷內部大量亞微米柱狀晶自發生長，柱狀晶與基體原子級結合緊密，強韌化效果顯著提高；經濟高效、成本低，適于工業化量產。此外，項目組在“超高溫燃燒合成+熔體快速水冷霧化”技術方面，取得了多項研究成果。前期已成功制備了氧化鋁/氧化鋯的過飽和固溶體微米粉和納米共晶粉末，燒結制備了高密度納米結構等軸晶納米陶瓷，在遠離平衡態的非線性相變過程中，實現了先進陶瓷微觀結構的精密調控。相關成果發表于《歐洲陶瓷協會》和《美國陶瓷協會》雜志，獲授權國家發明專利9項、國際專利1項。
哈爾濱工業大學重慶研究院項目負責人、博士生導師楊治華帶領團隊圍繞“先進陶瓷及其智能制造技術”取得重大突破，掌握了結構功能一體化陶瓷及其器件制備核心技術，特別是攻克了陶瓷3D打印“定制化”關鍵技術，能夠針對不同器件和需求進行規模化加工生產。先進陶瓷及智能制造研究中心實驗室結構功能一體化陶瓷及其3D打印技術中心負責人楊治華老師團隊帶來了電子元器件散熱陶瓷基板及結構功能一體化陶瓷高精密3D打印技術兩個項目。其中，結構功能一體化陶瓷高精密3D打印技術屬國內首創，項目基于高精密的3D打印技術，將材料耐高溫、隱身、透波、承載等多功能集于一體，誕生了先進的陶瓷部件，且相關材料大幅度應用于航空航天、生物醫療等領域，提高了精密陶瓷基功能器件的綜合性能及其研制效率，實現了超高速飛行器關鍵部件的快速裝備和制造，已獲得5項國家發明專利授權。多晶陶瓷材料中的陶瓷晶粒的取向被認為是隨機分布的。然而，在成型和燒結過程中，施加一定的熱、力、電、磁等特殊條件，則會引導晶粒沿著某些方向排列或生長，獲得晶粒的擇優取向，這種現象稱為織構。具有這種擇優取向的壓電陶瓷即織構壓電陶瓷。
(a) 普通陶瓷；(b)單晶；(c)織構陶瓷微觀示意圖織構壓電陶瓷可獲得盡可能接近單晶的壓電系數和機電耦合系數。由于織構壓電陶瓷(模板晶粒生長技術)與傳統陶瓷(流延法)的制備方法類似，因此，從理論上講，織構壓電陶瓷是可以在獲得與單晶類似壓電性能的同時，實現低成本、高成分均勻性以及異性和共型制備。近幾十年來，織構壓電陶瓷體系已經從Bi4Ti3O12基鉍層狀結構和Sr1–xBaxNb2O6基鎢青銅結構的非對稱粒子體系拓展到BaTiO3基、(K,Na)NbO3(KNN)基和PbTiO3基鈣鈦礦相結構的任意形狀粒子體系，織構壓電陶瓷體系種類得到豐富的同時，織構壓電陶瓷的取向度及壓電性能也得到了明顯的提升。哈工大以“Performance enhancement of ultrasonic transducer made of textured PNN-PZT ceramic”為題在期刊JOURNAL OF ADVANCED DIELECTRICS上發表論文，研究人員選擇與商業PZT-5H陶瓷具有相近居里溫度與壓電系數的0.36Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.24PbZrO3-0.40PbTiO3陶瓷作為基體組分，并通過織構工程制備了PNN-PZT-3BT織構陶瓷。所有結果表明，織構后的陶瓷具有更高的壓電系數與機電耦合系數，可以有效提高換能器的靈敏度與帶寬，其中更大的壓電系數有利于換能器高靈敏度的獲得，機電耦合系數的大小直接影響到換能器的帶寬。可以預見，低成本織構陶瓷的應用可以顯著提升中低端換能器的性能參數，且隨著織構陶瓷的進一步發展，有望實現高端換能器中壓電單晶的部分替代。
11月12日10時03分，搭載著天舟五號貨運飛船的長征七號遙六運載火箭在我國文昌航天發射場準時點火發射，約10分鐘后，船箭成功分離并進入預定軌道，飛船太陽能帆板順利展開工作，發射取得圓滿成功。
哈爾濱工業大學材料學院周玉院士團隊王亞明教授課題組研制的耐磨動密封陶瓷涂層與關鍵制備裝備，用于長征七號火箭伺服系統輕量化蓄壓器殼體，助力長征七號遙六運載火箭發射天舟五號貨運飛船。這是耐磨動密封陶瓷涂層第五次助力長征七號火箭發射天舟系列飛船。
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