2022年哈工大陶瓷领域，5项研究成果简介！

01

陶瓷气凝胶领域

陶瓷气凝胶因其超轻、耐火、耐腐蚀、耐高温等特性，非常适合用作航空航天领域的隔热材料。哈尔滨工业大学土木学院李惠和徐翔教授在陶瓷气凝胶隔热领域取得重要研究成果。该研究成果报道了一种气凝胶多尺度超结构设计和制备方法，采用半晶质（hypocrystalline）陶瓷材料设计结合zig-zag宏观结构设计，赋予陶瓷气凝胶近零泊松比（3.3×10^-4）和近零热膨胀（1.2×10^-7/℃）的“双零”反常规物理性质，从而获得了轻质超柔韧、高热稳定性及高温超隔热等特性。

半晶质双零陶瓷气凝胶超弹及高温隔热性能

同时，研究团队创新提出了一种“气体湍流”辅助静电纺丝直接制备三维纳米纤维陶瓷气凝胶的方法，拓展了传统静电纺丝制备二维膜材料的束缚，为实现材料的多尺度超结构设计、高性能、大规模及低成本制备提供了新思路和新方法。

02

超高韧纳米陶瓷领域

哈工大航天学院复合材料与结构研究所郑永挺教授项目组在超高韧性、柱状晶纳米氧化铝基陶瓷领域取得重要进展。该研究在陶瓷熔体急速冷却过程中实现了在微纳尺度上调控粉体内部的微观结构，在粉末烧结过程中控制晶粒的几何特征，为超高韧纳米陶瓷的发展提供了新的技术原理。

要想制造高韧性的氧化铝陶瓷，制备出性能优异的ZrO₂／Al₂O₃复合粉体是重要前提。郑永挺教授项目组首创了“Al-O₂超高温燃烧合成+熔体快速水冷”方法，研制了新型超高温熔体水冷雾化设备，合成氧化铝/氧化锆亚稳态微米粉（图a），粉体内部微观结构见（图b），在烧结致密化过程中，原位诱发了具有高密度多级氧化锆纳米结构、亚微米柱状晶的氧化铝基陶瓷（图c, d），可实现多级纳米结构、柱状晶、氧化锆t-m相变等多因素的协同增韧，大幅度提高了陶瓷的力学性能，产品兼具极高的硬度（HV20GPa）和极佳的韧性（16MPa•m^1/2），其技术原理可广泛应用于高性能先进陶瓷的生产制造。

相比于传统纳米复合陶瓷的工艺方法，该研究成果产物具有多级高密度、细度均匀的纳米结构；实现陶瓷内部大量亚微米柱状晶自发生长，柱状晶与基体原子级结合紧密，强韧化效果显著提高；经济高效、成本低，适于工业化量产。此外，项目组在“超高温燃烧合成+熔体快速水冷雾化”技术方面，取得了多项研究成果。前期已成功制备了氧化铝/氧化锆的过饱和固溶体微米粉和纳米共晶粉末，烧结制备了高密度纳米结构等轴晶纳米陶瓷，在远离平衡态的非线性相变过程中，实现了先进陶瓷微观结构的精密调控。相关成果发表于《欧洲陶瓷协会》和《美国陶瓷协会》杂志，获授权国家发明专利9项、国际专利1项。

03

陶瓷3D打印技术

哈尔滨工业大学重庆研究院项目负责人、博士生导师杨治华带领团队围绕“先进陶瓷及其智能制造技术”取得重大突破，掌握了结构功能一体化陶瓷及其器件制备核心技术，特别是攻克了陶瓷3D打印“定制化”关键技术，能够针对不同器件和需求进行规模化加工生产。

先进陶瓷及智能制造研究中心实验室结构功能一体化陶瓷及其3D打印技术中心负责人杨治华老师团队带来了电子元器件散热陶瓷基板及结构功能一体化陶瓷高精密3D打印技术两个项目。其中，结构功能一体化陶瓷高精密3D打印技术属国内首创，项目基于高精密的3D打印技术，将材料耐高温、隐身、透波、承载等多功能集于一体，诞生了先进的陶瓷部件，且相关材料大幅度应用于航空航天、生物医疗等领域，提高了精密陶瓷基功能器件的综合性能及其研制效率，实现了超高速飞行器关键部件的快速装备和制造，已获得5项国家发明专利授权。

04

织构压电陶瓷领域

多晶陶瓷材料中的陶瓷晶粒的取向被认为是随机分布的。然而，在成型和烧结过程中，施加一定的热、力、电、磁等特殊条件，则会引导晶粒沿着某些方向排列或生长，获得晶粒的择优取向，这种现象称为织构。具有这种择优取向的压电陶瓷即织构压电陶瓷。

(a) 普通陶瓷；(b)单晶；(c)织构陶瓷微观示意图

织构压电陶瓷可获得尽可能接近单晶的压电系数和机电耦合系数。由于织构压电陶瓷(模板晶粒生长技术)与传统陶瓷(流延法)的制备方法类似，因此，从理论上讲，织构压电陶瓷是可以在获得与单晶类似压电性能的同时，实现低成本、高成分均匀性以及异性和共型制备。近几十年来，织构压电陶瓷体系已经从Bi₄Ti₃O₁₂基铋层状结构和Sr_1–xBa_xNb₂O₆基钨青铜结构的非对称粒子体系拓展到BaTiO₃基、(K,Na)NbO₃(KNN)基和PbTiO₃基钙钛矿相结构的任意形状粒子体系，织构压电陶瓷体系种类得到丰富的同时，织构压电陶瓷的取向度及压电性能也得到了明显的提升。

哈工大以“Performance enhancement of ultrasonic transducer made of textured PNN-PZT ceramic”为题在期刊JOURNAL OF ADVANCED DIELECTRICS上发表论文，研究人员选择与商业PZT-5H陶瓷具有相近居里温度与压电系数的0.36Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.24PbZrO₃-0.40PbTiO₃陶瓷作为基体组分，并通过织构工程制备了PNN-PZT-3BT织构陶瓷。

所有结果表明，织构后的陶瓷具有更高的压电系数与机电耦合系数，可以有效提高换能器的灵敏度与带宽，其中更大的压电系数有利于换能器高灵敏度的获得，机电耦合系数的大小直接影响到换能器的带宽。可以预见，低成本织构陶瓷的应用可以显著提升中低端换能器的性能参数，且随着织构陶瓷的进一步发展，有望实现高端换能器中压电单晶的部分替代。

05

航天飞行陶瓷涂层

11月12日10时03分，搭载着天舟五号货运飞船的长征七号遥六运载火箭在我国文昌航天发射场准时点火发射，约10分钟后，船箭成功分离并进入预定轨道，飞船太阳能帆板顺利展开工作，发射取得圆满成功。

图片来源：新华社

哈尔滨工业大学材料学院周玉院士团队王亚明教授课题组研制的耐磨动密封陶瓷涂层与关键制备装备，用于长征七号火箭伺服系统轻量化蓄压器壳体，助力长征七号遥六运载火箭发射天舟五号货运飞船。这是耐磨动密封陶瓷涂层第五次助力长征七号火箭发射天舟系列飞船。

参考来源：哈工大官网、中国粉体网、哈工深圳

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