杨金龙教授课题组合作发明烧结不收缩高强度泡沫陶瓷

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陶瓷材料在烧结过程中存在自发收缩，特别是高气孔率泡沫陶瓷，其烧结收缩率高达40~80vol%。近日，清华大学材料学院杨金龙教授课题组和苏黎世联邦理工学院安德烈教授（Prof.André Studart，ETH Zürich）课题组共同发明了一种通过金属颗粒自组装制备超稳定的泡沫浆料，首次基于金属颗粒的柯肯达尔效应制备了烧结无收缩且性能优异的Al2O3陶瓷及Al2O3/Al复合材料，揭示了Al核/ Al2O3壳层结构在热氧化过程中发生的空心化过程及机理，并进一步利用亚微米级粉体原位空心化造成的膨胀与粉体烧结收缩相抵消，真正实现了陶瓷材料的烧结零收缩甚至是负收缩制备，是一种颠覆性的技术创新。
       通过在亚微米级尺度构建多级孔结构，这种新型的空心球组装材料具有超高的力学性能，气孔率为90%的氧化铝泡沫陶瓷抗压强度高达14.8MPa，可见报道类似泡沫陶瓷的2~10倍，如图1和表1所示。图2为多级空氧化铝泡沫陶瓷显微结构。该研究工作还论证了该思路结合3D打印、冷冻注模工艺、凝胶注模成型工艺等不同方式构建多级孔材料的普适性，为近净尺寸制备轻质高强陶瓷材料提供了新思路。

图1 空心微珠组装多级孔陶瓷的力学性能

表1 烧结不收缩Al/Al2O3复合泡沫材料与传统亚微米粉体制备的氧化铝泡沫陶瓷对比

图2 多级空氧化铝泡沫陶瓷显微结构

        相关研究成果申请发明专利，并以“通过胶体自组装和金属颗粒氧化构筑的超强多级孔材料”（Ultra-strong hierarchical porous materials via colloidal assembly and oxidation of metal particles）为题发表在期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。主编和审稿人对该研究工作给予高度评价：“此篇文章应作为非常重要的文章（VIP）发表。该文章的工作是材料的科学与技术两方面的重大进步，这种新型构筑陶瓷材料的过程可以制备比其他方法具有更高强度的氧化铝泡沫陶瓷，特别是对于高气孔率（气孔率在85%-95%之间的）泡沫陶瓷来说。该文章报道的制备多维度近零尺寸收缩的泡沫陶瓷，从经济化角度来看，对制造复杂形状器件具有重大意义。文章中有许多科学性创新。例如利用克肯达尔效应得到的空心球制备宏观陶瓷坯体的想法，是非常具有创造性的；通过控制烧结过程中坯体收缩/膨胀的平衡来实现体积的近零收缩的做法，对于陶瓷制备工艺具有重大贡献。文章中将此方法结合于3D打印技术、冷冻注模、凝胶注模等方法，为这种方法在制备复杂形状器件方面的应用奠定了基础。”
       该论文通讯作者为清华大学材料学院杨金龙教授和苏黎世联邦理工学院安德烈教授，第一单位为清华大学材料学院，霍文龙博士与张笑妍博士为该文的共同第一作者。
       论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003550

供稿：材料学院

编辑：李晨晖

审核：程曦

        文章来源：清华大学

        杨金龙，清华大学教授，1966年5月出生于山西省太原市；1987年，毕业于北京理工大学金属材料及热处理专业，获得学士学位；1990年，毕业于中北大学金属材料及热处理专业，获得硕士学位；1996年，毕业于清华大学材料系无机非金属专业，获得博士学位。1999年5月-2000年8月在瑞士联邦理工大学做博士后研究工作，师从国际著名陶瓷科学家Gauckler教授。1996年8月至今，分别担任清华大学材料系讲师、副教授、教授、博导。2006年7月，被中北大学聘为特聘教授，并担任先进陶瓷实验室主任。2010年5月，被聘为大连交通大学兼职教授。2014年5月，被聘为河北工程大学兼职教授。同时，杨金龙教授担任硅酸盐学报编委，中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会理事，材料导报编委，IJMPT(International Journal of Materials Product and Technology)Guest Editor。曾获多项荣誉，包括国家技术发明二等奖1项，河北省科技进步二等奖1项，山西省自然科学二等奖1项，其他省部级科技奖项3项，德国纽伦堡国际发明博览会金奖1项，国际发明展览会金奖1项。截至2016年9月1日，通过技术成果鉴定20项，已发表学术论文212篇，其中SCI收录130篇，EI收录42篇；申请专利88项，其中已授权专利73项，已申请专利15项。由springer和清华大学出版社联合出版英文专著一部，著作名称为《Novel Colloidal Forming of Ceramics》。2011年10月-2016年2月，挂职担任清华大学学科规划与建设办公室副主任。2015年6月-2016年6月，挂职担任河北工程大学副校长。目前，担任清华大学-远建工住轻质新材料联合研究院院长，山西省五台县、贵州省石阡县政府顾问。