超轻、高强钙长石基多孔隔热陶瓷的显微结构控制及隔热机理

钙长石具有低密度、低热导率、低热膨胀系数及高熔点等优良特性，是近空间高超声速飞行器用超轻、高强、高防/隔热用多孔陶瓷的备选材料。但目前对钙长石多孔陶瓷显微结构设计及结构与性能关系方面的研究还不够系统和深入。本申请项目的研究目的是确定兼顾钙长石多孔陶瓷热、力性能的显微结构，揭示其热/力性能匹配规律及隔热机理。主要研究内容包括：系统开展钙长石基多孔陶瓷的显微结构（气孔结构和相结构）设计；采用特定的科学技术制备出具有可控显微结构的多孔陶瓷；分析制备材料的显微结构并测试其性能；探明钙长石基多孔陶瓷的显微结构对材料热、力性能的影响机制；揭示超轻、高强钙长石基多孔陶瓷的热/力性能的匹配规律及隔热机理。本申请项目的成功实施，对促进钙长石在航空防/隔热材料领域的应用及其他多孔质材料的显微结构设计具有指导意义，而获得的材料显微结构与热、力性能的关系及热/力性能匹配规律具有重要的科学意义。

本项目主要采用泡沫注凝法和无压烧结工艺相结合制备多孔陶瓷，研究的基体主要包括钙长石、莫来石、钛酸铝和钙长石/莫来石复相，重点研究了烧结温度、单体加入量、浆料固含量、发泡剂种类和浓度等工艺参数对制备材料的结构与性能的影响规律，还结合现有的理论模型就钙长石多孔陶瓷和莫来石多孔陶瓷的热、力性能的匹配规律进行了探讨。就钙长石多孔陶瓷而言，采用此工艺制备的材料的气孔率为62~91%，体积密度0.24~1.27g/cm3，抗压强度0.27~13.39MPa，真空热导率0.018~0.272W/(m•K)；复杂的气孔结构是材料具有较低热导率的主要原因，此材料的热导率与气孔率的关系满足di取3、k’取0.18~0.26时的通用模型，而与经典的串联、并联、麦克斯韦及EMT模型相差较远；抗压强度与气孔率的关系则与Gibson提出的模型在n值取2.47时相一致。就莫来石多孔陶瓷而言，采用泡沫注凝法和无压烧结工艺制备的莫来石多孔陶瓷的气孔率为72–93%，热导率为0.048–0.427 W/m•K，抗压强度为0.63-24.91MPa；此材料的热导率与气孔率的关系满足di取3、k’取0.65时的通用模型；抗压强度与气孔率的关系则与Gibson提出的模型在n值取2.57时相一致。颗粒状莫来石的加入能够显著提高材料的抗压强度，但热导率也会随之提高，且提高非常显著；而莫来石晶须的加入则不然，在高气孔率下（约90%）莫来石晶须的加入显著提高了材料的抗压强度，增大了约2倍以上，最大值（1.36MPa）增加到了纯钙长石多孔陶瓷的5倍；但莫来时晶须的加入使得热导率几乎保持不变，当莫来石晶须加入量高达60mol%时热导率为0.54 W/m•K，较纯钙长石多孔陶瓷相近气孔率下的0.40 W/m•K略微提高。综合而言，本项目基本上按照计划开展了研究，获得了一定的研究成果，共发表学术论文6篇，培养硕士毕业生2人，在读3人，达到了预期的研究目标。