低热导率高力学性能多孔氧化铝陶瓷材料的设计与研究

Porous oxide ceramics with good thermal insulation have a wide rang of applications in industry, buildings and aerospace. It is still a challenge that porous ceramics retain their high porosity and low thermal conductivity whilst keeping the high mechanical performance. In this proposal, doping of trace rare-earth or Zr4+ segregation ions at the grain boundaries is used to enhance the grain boundary strength, increase the interface thermal resistance, inhibit the grain growth and lower the thermal conductivity of porous alumina. At the same time, Al(OH)3 particles will be used as the porogenic agent to form closed vacuum pore structures, which will further decrease the thermal conductivity of porous alumina. Based on the above methods, freeze-drying technique will be used to fabricate porous alumina with anisotropic pore structures. We will investigate the physical mechanisms to increase the grain boundary strength and thermal resistance using the first-principle method, and calculate the effect of pore and grain size distribution and pore arrangement on the thermal conductivity and mechanical property of porous alumina by a mean-field theory. Finally, some basic laws will be obtained for design of porous alumina.

氧化物多孔隔热材料在工业、建筑和航空航天等领域有着广泛的应用。但如何实现高气孔率、低热导率的情况下，保持多孔陶瓷材料高的力学性能仍然是这一领域面临的挑战。本研究拟通过在氧化铝晶粒边界掺杂微量稀土或锆离子、形成边界偏析钉扎结构的方法来提高多孔氧化铝陶瓷的晶界结合强度，增加晶粒边界的热阻，抑制晶粒生长，降低多孔氧化铝陶瓷的热导率。同时，采用氢氧化铝颗粒作为造孔剂的方法来实现真空闭孔结构，进一步降低多孔氧化铝陶瓷材料的热导率。结合以上方法，采用冷冻干燥技术研究制备低热导率、高力学性能的各向异性多孔氧化铝陶瓷结构。基于实验结果，采用第一性原理方法研究不同稀土或锆离子边界钉扎对氧化铝晶界热阻和力学强度提高的物理机理，采用平均场理论方法计算不同尺寸和取向的多孔结构对其热导率和力学性能的影响，归纳总结出设计高性能多孔氧化铝陶瓷材料的基本规律。

金属铝(Al)是一种活泼金属，但Al表面的氧化物保护膜阻碍了其内部的金属Al与外界分子或离子的接触。(1)我们利用精细氧化铝(Al2O3)或氢氧化铝对Al颗粒表面进行改性，发现改性后的Al粉体能够在常温常压条件下与水快速反应并产生氢气。详细的研究发现，在不同的Al的氧化物和氢氧化物中，非晶态的AlOOH对Al-水反应产氢的催化促进作用最佳。同时发现在精细的AlOOH颗粒表面负载铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)等纳米金属颗粒，并将其覆盖在Al颗粒表面形成微电池结构，可进一步提高Al-水反应产氢的效率。(2)我们发现使用Al2O3或氢氧化铝对Al粉体表面进行改性能够快速转移其内部的电子，高效还原pH中性水溶液中有毒的六价铬离子(Cr6+)、溴酸根离子(BrO3−)和有机污染物等。我们还发展了一种简单廉价活化Al粉体的方法，即将Al粉体投入水中浸泡使其表面形成一层精细的Al(OH)3颗粒，发现浸泡后的Al粉体能够高效去除中性水溶液中的Cr6+和BrO3−离子等。(3)我们还研究了Al表面的氧化物结构对Al活化过一氧硫酸盐（PMS）产生高活性硫酸自由基(SO4•-)、羟基自由基(OH•)及其去除水中有机污染物的影响，发现Al表面如果在潮湿环境下形成晶化的氢氧化铝相，将大大降低Al-PMS体系产生SO4•-、OH•及其去除水中有机污染物的效率。(4)我们使用简单的Al+酸+H2O2体系反应后过滤的方法，首次获得了不依赖金属Al原位存在、稳定高活性的OH•溶液，其寿命可达20天以上。同时，制备的高活性OH•溶液能够高效降解水中的有机污染物。(5)我们将Fe作为催化剂利用电弧法制备了高质量的单壁碳纳米管，由于其原位负载有分散均匀、直径在10 nm以下的Fe纳米颗粒，发现这一Fe/单壁碳纳米管复合材料有非常高的吸附水中有机染料的容量和快速吸附能力。同时发现这一Fe/单壁碳纳米管复合材料有非常好的光催化降解水中甲基蓝、甲基橙等有机污染物的效率。(6)另外，我们还系统研究了不同Al的氧化物和氢氧化物对吸附水中氟(F-)离子的影响。以上研究对Al-水反应产氢在移动燃料电池氢源领域的应用，对金属Al在水中污染物的去除和环境净化领域的应用具有重要现实意义。