材料学院杨金龙教授课题组发现降低纳米颗粒泡沫陶瓷收缩的新机制

泡沫陶瓷作为一种高气孔率的陶瓷，其在干燥与烧结过程中的收缩率是非常大的，一般可超过50%。这一直以来是陶瓷界的一大难题，严重影响了泡沫陶瓷器件的制备与使用。2022年11月，清华大学材料学院杨金龙课题组发现了一种控制泡沫陶瓷干燥与烧结过程收缩率的新方法，利用醇类分子与氧化物表面基团的吸附作用，增强了发泡剂在颗粒表面的吸附量，通过发泡剂分子链的疏水聚集作用，将坯体的收缩率控制在20%以下。该方法中，醇类分子对体系中表界面的调节作用，代替了传统酸碱调节pH值的方法，成为了一种条件温和可控的制备高强度、低收缩泡沫陶瓷材料的新方法。

图一 泡沫陶瓷及其对比样品的气孔率及收缩率

 

图二 泡沫材料3D打印直写制备泡沫材料

 

 

传统酸碱辅助发泡制得的泡沫陶瓷，线收缩率在35.5%。而本文报道的醇类分子辅助发泡发制得的样品，在相同温度烧结后的收缩率为18.8%，并保持着94.4%的气孔率。文章中揭示了相应的发泡与抗收缩机理。同时，该泡沫坯体在未烧结状态下，可承受一定的压力。烧结后，其抗压强度达到1.32到1.69 MPa。泡沫陶瓷的隔热性能可达0.0635 W/m·K。

同时，该体系的泡沫坯体可以用做3D打印直写（DIW）技术，制备不同形状的泡沫陶瓷材料。所制得的未经烧结的坯体可在水的环境下维持10天（或更长时间）气孔结构不发生变化，亦可在乙醇的环境下维持3天（或更长时间）气孔结构不发生变化。这说明，这种坯体可以被直接用做一些基体材料，如组织工程支架、多孔涂层、隔热材料等，具有广阔的工业化前景。

该工作的研究成果以“3D Printable Ultra-Highly Porous and Mechanically Strong Foam Materials for Multiple Applications”为题发表在期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上，卷号2205537，网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202205537。该论文第一单位为清华大学材料学院，通讯作者为清华大学材料学院杨金龙教授，第一作者为杨金龙课题组已出站博士后王超，王超博士现为北京林业大学理学院讲师。