通過膠體組裝和金屬顆粒氧化的超強分級多孔材料

供稿人：劉亮杰 魯中良
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

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，其力學性能較差。骨和竹子等生物材料能夠通過在多個長度尺度上結(jié)合孔隙來避 免孔隙和機械性能之間的這種權(quán)衡。受這些生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，清華大學材料科學與工程學院開發(fā)了一個制造平臺，用于制造具有分層孔隙率和增強機械性能的Al2O3泡沫和Al2O3/Al復合材料。在闡明不同燒結(jié)條件下微孔形成機理的基礎(chǔ)上，通過壓縮實驗和有限元模擬對制備的分級泡沫材料的力學性能進行了評價。通過這種簡單的方法制備的多孔材料具有無與倫比的力學性能，燒結(jié)收縮率幾乎為零，機械強度損失最小的優(yōu)勢。由于能夠在孔隙率高達95%的情況下制造具有超高強度的宏觀物體，因此這種制造技術(shù)對于制造高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)或先進的熱絕緣體和聲學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Al粒子的透射電子顯微鏡圖像。C) 600℃時單個Al粒子的TEM圖像，以及能量色散x射線能譜儀測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程中形成原理圖。

對鋁顆粒進行熱分析，同時對熱處理樣品進行顯微組織表征，以評價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致了一種受Kirkendall(柯肯達爾)效應(yīng)控制的氧化機制這一效應(yīng)可能發(fā)生的原因是，相對于大的氧陰離子，小的鋁陽離子能夠更快地通過Al2O3殼擴散。這種擴散速度的差異導致氧化殼向外生長，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鋁顆?？梢酝ㄟ^其他膠體路線組裝，獲得具有更復雜多孔結(jié)構(gòu)和三維幾何形狀的分層材料。通過3D打印濕泡沫到具有三個不同長度尺度孔的細胞結(jié)構(gòu)中，并通過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，作者展示了通過金屬氧化形成孔的概念可以擴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。無與倫比的機械強度、近乎零的燒結(jié)收縮率以及通過該加工技術(shù)可獲得的幾種膠體方法使其成為設(shè)計和制造用于輕質(zhì)、隔熱、聲學和其他新興應(yīng)用的高性能多孔材料的有力工具。

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