博文
中国科学院上海硅酸盐研究所王士维团队对新型原位固化成型方法的新研究
||
原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220879
1、研究背景
制备微观结构均匀和力学性能良好的陶瓷素坯是保障先进陶瓷性能和降低生产成本的关键。自发凝固成型（Spontaneous coagulation casting，SCC）是中国科学院上海硅酸盐研究所王士维团队于2011年提出的一种新型原位固化成型方法。相比于传统注凝成型体系（有机物添加量4-5 wt%），自发凝固成型体系只需使用少量（<1 wt%）异丁烯与马来酸酐共聚物（PIBM）一种添加剂即可实现对浆料的分散和固化，具有无毒害、操作简便等优点，已被广泛用于各类先进陶瓷的成型。SCC成型机理是通过吸附在相邻陶瓷颗粒上的 PIBM 分子链之间的疏水缔合和氢键等分子间作用力形成凝胶网络，其特征是陶瓷颗粒参与了凝胶网络形成。进一步研究发现，该方法所成型的素坯存在脆性问题，且粉体粒径越小坯体越脆，坯体尺寸越大存储、搬运和机械加工的开裂风险越大。
2、文章亮点
借鉴塑料工业常使用塑化剂改善聚合物柔韧性和可加工性的思路，本研究在采用SCC成型不同粒径的陶瓷颗粒时，分别引入甘油和PEG两种塑化剂，来提升素坯塑性的新思路，建立了弯曲应力-应变、冲击韧性和打孔实验相结合的方法表征坯体的塑性，并阐明增塑机理。
3、研究结果及结论
发现添加适量塑化剂，坯体的弯曲应力-应变曲线峰宽展宽约两倍，冲击韧性对应不同粒径粉体（0.45 μm、0.18 μm和50 nm）分别提高了约71%、34%和41%，打孔后素坯保持完整。
阐明了增塑机理。两种塑化剂兼具极性基团（-OH）和非极性部分，它们主要通过影响分子间的相互作用，减缓颗粒间的硬接触，进而改善素坯脆性。此外，塑化剂的使用对陶瓷密度几乎没有影响。
图1 添加（a）甘油和（b）PEG后氧化铝素坯的弯曲应力-应变曲线（Al2O3粉体粒径，0.45 μm）
图2 甘油、PEG添加量对氧化铝素坯（a）冲击韧性和（b）弯曲强度的影响（Al2O3粉体粒径，0.45 μm）
图3 （a）正面和（b）反面的钻孔（孔直径，6 mm）素坯（ϕ38 mm × 9 mm），（c）烧结后的钻孔素坯
4、作者及研究团队简介
王士维研究员，现任中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷中心课题组长。带领团队自主开发了陶瓷金卤灯用透明氧化铝陶瓷管的挤出成型和注浆成型技术以及国产高纯度氧化铝粉体的改性处理技术；同时，发明自发凝固成型技术，制备了大尺寸氧化铝陶瓷，结合发泡工艺制备了低热导、高强度的泡沫氧化铝陶瓷隔热材料。透明氧化铝陶瓷管、大尺寸氧化铝和泡沫氧化铝陶瓷等制备技术已成功实现转移转化。发表学术论文260余篇，申请专利80余项，其中49项获得授权。
Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊简介
期刊中文网页：http://www.ccs-cicc.com/index.html
期刊英文网页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
https://wap.sciencenet.cn/blog-3534092-1435015.html
上一篇：山东大学张子栋课题组：新型低介介质陶瓷材料新发现，用于微波/毫米波天线
下一篇：《先进陶瓷(英文)》期刊编委曾小军教授在“中国晶体学会首届陶瓷青年学术会议暨陶瓷材料、器件与装备”研讨会上分享专题报告
