NEW
新聞資訊
行業(yè)新聞
當(dāng)前位置：首頁 >新聞資訊>行業(yè)新聞
氧化鋁多孔陶瓷增韌改性：氧化鋅基復(fù)合策略的工程化路徑探索
發(fā)布時(shí)間：2025-05-06
一、陶瓷材料的"剛?cè)嶂?/span>"與增韌技術(shù)演進(jìn)
氧化鋁多孔陶瓷憑借高熔點(diǎn)（2054℃）、耐腐蝕性及低熱膨脹系數(shù)等特性，在高溫結(jié)構(gòu)件、催化劑載體及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特價(jià)值。然而，其本征脆性（斷裂韌性僅3-5 MPa·m1/2）和強(qiáng)度瓶頸（抗彎強(qiáng)度約200-300 MPa）嚴(yán)重制約了工程化應(yīng)用。傳統(tǒng)增韌手段如晶須增強(qiáng)面臨界面結(jié)合弱、制備成本高的難題，而納米復(fù)合技術(shù)的興起為突破這一困局提供了新維度。近年來，氧化鋅（ZnO）因其獨(dú)特的物理化學(xué)屬性，逐漸成為陶瓷增韌領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。
二、納米氧化鋅的微觀增韌機(jī)制解析
納米氧化鋅（粒徑<300 nm）的加入可構(gòu)建"彌散強(qiáng)化-細(xì)晶強(qiáng)化"雙重作用體系：
2.1 裂紋動(dòng)力學(xué)調(diào)控：當(dāng)裂紋擴(kuò)展至納米顆粒界面時(shí)，會(huì)發(fā)生三維偏轉(zhuǎn)效應(yīng)（偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)45°-60°）和釘扎效應(yīng)（臨界釘扎應(yīng)力約120 MPa）。這種路徑復(fù)雜化使單位裂紋擴(kuò)展能從純氧化鋁的200 J/m2提升至450 J/m2以上，相當(dāng)于斷裂能提升125%。
2.2 晶粒尺寸效應(yīng)：納米顆粒作為異質(zhì)形核位點(diǎn)，可將氧化鋁平均晶粒尺寸從8-10 μm細(xì)化至2-3 μm。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，晶粒細(xì)化使材料屈服強(qiáng)度提升約180 MPa，同時(shí)致密度從85%提高至95%以上，顯著降低孔隙率對(duì)強(qiáng)度的劣化作用。
類比參考：納米SiC顆粒在氧化鋁中的增韌行為已證實(shí)，當(dāng)添加量為10 vol%時(shí)，抗彎強(qiáng)度從350 MPa躍升至1000 MPa，印證了納米顆粒增韌的普適性。
三、復(fù)合增韌體系的協(xié)同效應(yīng)設(shè)計(jì)
3.1 與氧化鋯的相變-納米耦合機(jī)制
氧化鋯（ZrO?）的應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變（體積膨脹3-5%）可產(chǎn)生相變?cè)鲰g（貢獻(xiàn)約2 MPa·m1/2斷裂韌性），而氧化鋅的納米效應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化氧化鋯顆粒（從微米級(jí)降至500 nm以下），形成"相變應(yīng)力場-納米彌散強(qiáng)化"的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)ZnO/ZrO?質(zhì)量比為3:1時(shí)，復(fù)合陶瓷的斷裂韌性可達(dá)8.2 MPa·m1/2，較單一體系提升173%。
3.2 晶須/纖維增強(qiáng)的多維增韌網(wǎng)絡(luò)
引入SiC晶須（長徑比15-20）或碳纖維（直徑7-10 μm）可構(gòu)建"納米顆粒-晶須-基體"三級(jí)增韌結(jié)構(gòu)：納米ZnO抑制晶粒粗化，晶須提供裂紋橋聯(lián)（橋聯(lián)應(yīng)力約80 MPa）和纖維拔出功（單絲拔出能約5 J/m），使材料同時(shí)具備抗裂紋萌生和擴(kuò)展能力。實(shí)驗(yàn)表明，5% ZnO+3% SiC晶須的復(fù)合體系可使抗彎強(qiáng)度突破600 MPa，較純氧化鋁提升200%。
四、特殊形貌氧化鋅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過水熱合成法（如PVP模板調(diào)控）制備的片層花狀ZnO（厚度50-100 nm，直徑2-3 μm）展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：其徑向片層結(jié)構(gòu)可形成互鎖式界面結(jié)合，界面剪切強(qiáng)度較球形顆粒提升40%；同時(shí)，片層表面的微納凹凸結(jié)構(gòu)（粗糙度Ra=200-300 nm）增加了機(jī)械嚙合效應(yīng)，使裂紋擴(kuò)展時(shí)需克服更高的界面能。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使裂紋偏轉(zhuǎn)效率提升35%，等效于斷裂韌性額外增加1.5 MPa·m1/2。
五、工程化制備的關(guān)鍵工藝控制
5.1 納米顆粒的均勻分散技術(shù)
采用溶膠-凝膠-超聲協(xié)同法：先將ZnO納米顆粒（表面經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性）分散于乙醇-檸檬酸混合液中（超聲功率400 W，頻率20 kHz，處理30 min），再與鋁溶膠共混，可使顆粒團(tuán)聚體尺寸控制在100 nm以下，分散均勻性指數(shù)（UI值）從0.6提升至0.92。
5.2 低溫?zé)Y(jié)工藝優(yōu)化
引入兩步燒結(jié)法：首先在900℃下保溫2小時(shí)進(jìn)行低溫致密化（抑制ZnO揮發(fā)，揮發(fā)率<3%），然后升溫至1400℃完成晶粒穩(wěn)定化。相較于傳統(tǒng)單段燒結(jié)，該工藝可使致密度提升8%，同時(shí)避免因高溫（>1500℃）導(dǎo)致的ZnO蒸發(fā)和Al-Zn尖晶石相（熔點(diǎn)1630℃）生成。
六、應(yīng)用導(dǎo)向的性能優(yōu)化準(zhǔn)則
6.1 成分設(shè)計(jì)窗口
ZnO添加量需控制在5-12 wt%區(qū)間：低于5%時(shí)彌散強(qiáng)化效應(yīng)不足，高于12%會(huì)因熱膨脹系數(shù)失配（ZnO：3.5×10??/℃ vs Al?O?：8.6×10??/℃）產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力（σ≈80 MPa），誘發(fā)界面微裂紋。建議采用響應(yīng)面法（RSM）優(yōu)化ZnO/ZrO?/晶須的三元配比，以獲取強(qiáng)度（σf）-韌性（KIC）的 Pareto 最優(yōu)解。
6.2 相容性評(píng)估體系
需通過高溫差熱分析（DSC）驗(yàn)證界面反應(yīng)性：在1300℃下保溫2小時(shí)，若檢測(cè)到ZnAl?O?尖晶石相（放熱峰出現(xiàn)在1280℃）的生成量超過5 vol%，需調(diào)整ZnO表面包覆層（如包覆SiO?層，厚度2-5 nm）以抑制界面反應(yīng)。
七、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用展望與挑戰(zhàn)
當(dāng)前，該技術(shù)在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層（使用溫度≤1200℃）和新能源電池陶瓷隔膜領(lǐng)域已進(jìn)入中試階段。未來發(fā)展需突破兩大瓶頸：一是納米ZnO的規(guī)模化制備（成本需從當(dāng)前$200/kg降至$50/kg以下），二是復(fù)雜形狀構(gòu)件的增韌均勻性控制（如采用3D打印-納米浸漬復(fù)合工藝）。隨著綠色化學(xué)合成技術(shù)（如生物模板法）和智能燒結(jié)設(shè)備（如微波場輔助燒結(jié)爐）的發(fā)展，氧化鋅基增韌陶瓷有望在高端制造領(lǐng)域開辟更廣闊的應(yīng)用場景。
氧化鋁多孔陶瓷的增韌改性本質(zhì)上是通過微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重構(gòu)材料的能量耗散體系。氧化鋅以其多維度的增韌機(jī)制，為陶瓷基復(fù)合材料的性能優(yōu)化提供了極具潛力的解決方案。從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用，需構(gòu)建"成分設(shè)計(jì)-結(jié)構(gòu)調(diào)控-工藝優(yōu)化"的全鏈條技術(shù)體系，這不僅是材料科學(xué)的創(chuàng)新突破，更是推動(dòng)我國高端陶瓷產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要技術(shù)路徑。
肇慶市新潤豐高新材料有限公司擁有完整的氧化鋅產(chǎn)業(yè)鏈，主營產(chǎn)品有：發(fā)明專利產(chǎn)品RA95型釉用活性煅燒氧化鋅、超耐磨活性氧化鋅、T2570鋅基異構(gòu)體涂料級(jí)氧化鋅、釉用抗菌氧化鋅、納米分散液、高端熔塊氧化鋅、超自潔活性氧化鋅、納米易潔氧化鋅抗菌涂膜、重質(zhì)超導(dǎo)熱球形氧化鋅、超0#鋅錠99.7間接法低鉛環(huán)保級(jí)氧化鋅、常規(guī)99.5和99.6煅燒氧化鋅等各種規(guī)格氧化鋅，品種齊全。
