【儀表網 研發快訊】近日，南方科技大學材料科學與工程系博士后張振邦及所在研究團隊研制了一種具有類珍珠母結構的仿生多孔陶瓷，可以實現隔熱性能和力學性能的完美結合，相關論文以“Anisotropically Thermal-Protective Porous Ceramics Enabled by Nacre-Like Framework”為題發表在國際期刊 Advanced Materials上。
熱防護材料在航空航天、能源工業、高溫制造等多個領域有著至關重要的應用。當前最為廣泛使用的熱防護材料是各種式樣的氣凝膠材料。其中，絕大多數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，過高的孔隙率導致孔隙之間的支撐結構連貫性差，進而嚴重削弱了其機械強度。因此，隔熱性能與力學性能之間的矛盾仍是熱防護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構設計兼顧了功能性能與力學性能。
受天然珍珠母啟發，研究人員制備了一種內部結構獨特的仿珍珠母層狀連續多孔材料，其兼具較好的力學性能和各向異性隔熱性能。首先，研究人員發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自組裝將氧化鋁微米片進行取向排布制備仿珍珠母復合薄膜，再將所得復合薄膜進行層疊和燒結，制備得到仿珍珠母多孔陶瓷。其內部高度有序排列的氧化鋁微米片通過礦物橋連接，構筑出仿珍珠母層狀連續多孔結構。
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)仿珍珠母復合薄膜的實物圖；e)仿珍珠母復合薄膜的截面掃描電鏡圖片；f，g)仿珍珠母多孔陶瓷的實物圖；h，i)仿珍珠母多孔陶瓷的截面掃描電鏡圖片
研究人員系統研究了不同燒結溫度對仿珍珠母多孔陶瓷微觀結構的影響，以及該微觀結構對材料力學和熱學性能的影響，從而最終實現對仿珍珠母多孔陶瓷的微觀結構和性能的可控調控(圖2)。優化后的仿珍珠母多孔陶瓷展現出隔熱性能與力學承載性能相結合的特性。其內在機理是仿珍珠母多孔陶瓷內部由礦物橋連接的氧化鋁微米片構筑而成，其中的層狀多孔結構使材料具備了較好的隔熱性能。同時，當材料承受載荷時，大量的礦物橋將載荷高效均勻地沿微米片分散開來，緩解了應力的局部集中，進而提高了材料的力學性能。
圖2. 仿珍珠母多孔陶瓷的力學和隔熱性能 a)不同燒結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)不同燒結溫度制備得到的仿珍珠母多孔陶瓷的壓縮力學性能；c)不同燒結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特的各向異性導熱性能(圖3)，其面外方向具有極低的導熱系數，面內方向具有較高的導熱系數。這種各向異性可以使材料具備更加高效的熱防護和熱管理功能，具有非常重要的應用價值。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，面內方向上相對較高的導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熱性能 a)仿珍珠母多孔陶瓷的面內和面外導熱系數；b)不同溫度下仿珍珠母多孔陶瓷的導熱性能各向異性比；c)仿珍珠母多孔陶瓷與多種熱防護材料的導熱性能各向異性的對比圖；d，e)仿珍珠母多孔陶瓷中導熱性能各向異性的機理示意圖；f，g)仿珍珠母多孔陶瓷以面內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構的完整性。同時，通過熱紅外相機觀察其背面溫度變化可以發現，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。這些結果都進一步證明了仿珍珠母多孔陶瓷作為熱防護材料在實際應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部具有獨特的層狀連續多孔結構，使其兼具較好的力學性能和隔熱性能。此外，該材料還具有各向異性的導熱性能，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-隔熱一體化材料應用于多種熱防護領域。
張振邦為論文第一作者，俞書宏院士為論文通訊作者，南方科技大學為論文第一單位。本研究得到了科技部國家重點研發項目、國家自然科學基金、新基石研究員項目、深圳市科技計劃、南科大科研啟動及啟動配套經費等項目的資助。
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