通過(guò)膠體組裝和金屬顆粒氧化的超強(qiáng)分級(jí)多孔材料

供稿人：劉亮杰 魯中良
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

多孔材料可用作輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、骨替代物和熱絕緣體，但與致密材料相比，其力學(xué)性能較差。骨和竹子等生物材料能夠通過(guò)在多個(gè)長(zhǎng)度尺度上結(jié)合孔隙來(lái)避 免孔隙和機(jī)械性能之間的這種權(quán)衡。受這些生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，清華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院開發(fā)了一個(gè)制造平臺(tái)，用于制造具有分層孔隙率和增強(qiáng)機(jī)械性能的Al2O3泡沫和Al2O3/Al復(fù)合材料。在闡明不同燒結(jié)條件下微孔形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)壓縮實(shí)驗(yàn)和有限元模擬對(duì)制備的分級(jí)泡沫材料的力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。通過(guò)這種簡(jiǎn)單的方法制備的多孔材料具有無(wú)與倫比的力學(xué)性能，燒結(jié)收縮率幾乎為零，機(jī)械強(qiáng)度損失最小的優(yōu)勢(shì)。由于能夠在孔隙率高達(dá)95%的情況下制造具有超高強(qiáng)度的宏觀物體，因此這種制造技術(shù)對(duì)于制造高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)或先進(jìn)的熱絕緣體和聲學(xué)絕緣體非常有吸引力。

圖1. A) 鋁粒子的掃描電鏡圖像。B) 單個(gè)Al粒子的透射電子顯微鏡圖像。C) 600℃時(shí)單個(gè)Al粒子的TEM圖像，以及能量色散x射線能譜儀測(cè)量的元素沿徑向分布。D) Al顆粒在指定溫度下熱處理10小時(shí)后的x射線衍射圖譜。E) 鋁粉的熱重分析和差示掃描量熱法。F) Al顆粒SEM圖像 G) 半空心Al顆粒的TEM圖像。H) 空心鋁顆粒熱處理過(guò)程中形成原理圖。

對(duì)鋁顆粒進(jìn)行熱分析，同時(shí)對(duì)熱處理樣品進(jìn)行顯微組織表征，以評(píng)價(jià)金屬氧化后顆粒的形貌。SEM成像顯示，在700℃以上的空氣中處理2 h以上，Al顆粒變成了定義明確的空心球(圖1F)，這表明所選擇的熱處理導(dǎo)致了一種受Kirkendall(柯肯達(dá)爾)效應(yīng)控制的氧化機(jī)制這一效應(yīng)可能發(fā)生的原因是，相對(duì)于大的氧陰離子，小的鋁陽(yáng)離子能夠更快地通過(guò)Al2O3殼擴(kuò)散。這種擴(kuò)散速度的差異導(dǎo)致氧化殼向外生長(zhǎng)，并逐漸消耗存在于核中的Al原子(圖1H)。

圖2. 膠態(tài)組裝路線用于制造多孔材料通過(guò)鋁顆粒的熱氧化。A) 將濕式泡沫鋁3D打印成具有網(wǎng)格狀幾何結(jié)構(gòu)和近乎零維度變化的分層多孔材料。B) 采用冰模板法制備了具有定向大孔和泡沫狀薄片相結(jié)合Al2O3/Al多孔復(fù)合材料。C) 凝膠鑄造工藝用于生產(chǎn)均勻的具有微孔尺寸的Al2O3部件。

本研究中使用的微米級(jí)鋁顆粒可以通過(guò)其他膠體路線組裝，獲得具有更復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)和三維幾何形狀的分層材料。通過(guò)3D打印濕泡沫到具有三個(gè)不同長(zhǎng)度尺度孔的細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，并通過(guò)冷凍鑄造鋁懸浮液到具有明確各向異性孔隙度的層次結(jié)構(gòu)中，證明了這種多功能性(圖2)。

最后，作者展示了通過(guò)金屬氧化形成孔的概念可以擴(kuò)展到其他膠體組裝路線和成型技術(shù)，包括基于擠出的3D打印、冰模板和凝膠注模工藝。無(wú)與倫比的機(jī)械強(qiáng)度、近乎零的燒結(jié)收縮率以及通過(guò)該加工技術(shù)可獲得的幾種膠體方法使其成為設(shè)計(jì)和制造用于輕質(zhì)、隔熱、聲學(xué)和其他新興應(yīng)用的高性能多孔材料的有力工具。

參考文獻(xiàn)：
Wenlong Huo,Xiaoyan Zhang,et al.Ultrastrong Hierarchical Porous Materials via Colloidal Assembly and Oxidation of Metal Particles[J].Advanced Functional Materials,2020.