纳米孔莫来石陶瓷的制备与强化机理研究

本项目以具有潜在应用前景的纳米孔（孔径<100 nm）莫来石陶瓷作为研究对象，针对高孔隙率纳米孔莫来石陶瓷难以制备的特点，采用溶胶凝胶－溶剂置换和溶胶凝胶－冷冻干燥工艺，有效减少或消除干燥过程中凝胶孔道内液体的表面张力，使凝胶的高孔隙率网络结构免于剧烈的收缩和破坏，然后进行热处理烧结，从而得到结构稳定、力学性能优异的高孔隙率纳米孔莫来石陶瓷。本项目拟采用有限元分析模拟超高孔隙率纳米孔陶瓷的结构，从理论上计算气孔形貌、孔径分布、孔隙率和孔筋厚度对多孔陶瓷强度的影响，找出能够提高纳米孔陶瓷强度的结构特征。研究分析添加第二相（氧化镁、氧化钇和二氧化钛）和热处理过程中的气孔收缩、晶粒增长与晶界固溶对晶界结合强度和材料强度的影响规律与作用机制。研究微结构对多孔陶瓷断裂行为的影响，考察纳米孔莫来石陶瓷的断裂方式，揭示纳米孔莫来石陶瓷的强化机理。

既具有气凝胶的纳米孔结构，又具有陶瓷的强度，可以使得材料的使用性能大大提高。莫来石表现出诸多优异的物理性能，如低导热、低介电常数和抗高温蠕变性能等。这些特性使其在高温结构材料、光学材料及介电和高温保护涂层等方面得到重要应用。因此选择莫来石作为研究对象，制备纳米孔莫来石陶瓷。.该研究借鉴了二氧化硅气凝胶的研究思路，基于溶胶-凝胶技术制备出铝硅复合气凝胶，使铝硅凝胶体系产生莫来石化而进行的：.1）分别以正硅酸乙酯、水玻璃和硅溶胶为硅源经超临界干燥后制备出块状氧化硅气凝胶块体，但只有正硅酸乙酯得到的块体颜色可为淡蓝色透明体、半透明体、乳白色，强度相比最大，且触感有弹性，作为硅源首选。尝试把无机氯化铝和异丙醇铝与正硅酸乙酯一起制备复合气凝胶，但仍然无法得到具有一定强度的凝胶块体。将正硅酸乙酯作为硅源，纳米氧化铝作为铝源，在经凝胶和超临界干燥或常压干燥之后可以得到具有一定强度的凝胶块体。.2）以纳米γ-氧化铝与正硅酸乙酯经溶胶-凝胶技术和超临界干燥制备出了复合气凝胶块体材料，并在1300℃热处理得到了具有纳米孔结构的莫来石陶瓷材料，所制备的纳米孔莫来石陶瓷材料具有两级孔分布的结构特点，骨架结构包含有200～400nm的大孔，以及大量位于其孔壁上的6～30nm的介孔；以纳米α-氧化铝与正硅酸乙酯经溶胶-凝胶技术和常压干燥制备出了复合气凝胶块体材料，并在1300℃热处理得到了具有纳米孔结构的莫来石陶瓷材料，骨架结构包含有大量的5～30nm的孔及部分100～500nm的大孔。两种方法得到的纳米孔莫来石陶瓷均具有良好的纳米孔网络结构，是一种高孔隙率纳米孔材料。.3）研究了第二相的加入对烧结过程中莫来石晶粒的细化以及晶界固溶，考察了对多孔陶瓷的抗压强度的影响，结果表明，添加的第二相对莫来石晶粒具有细化作用，并且可以使纳米孔莫来石陶瓷耐压强度提高一倍。