鳥喙復(fù)合結(jié)構(gòu)莫來(lái)石的制備及其力學(xué)性能

張 瑜，桑可正，曾德軍，劉 朵

(長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710064)

0 引 言

多孔陶瓷利用低熱導(dǎo)率延緩熱量傳導(dǎo)以達(dá)到隔熱目的，可用于導(dǎo)彈、航天器外表面或內(nèi)部以及發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)機(jī)儲(chǔ)箱的隔熱[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)，提高氣孔率是最常用、最有效的手段。但是隨著氣孔率的增加，材料的強(qiáng)度通常呈指數(shù)趨勢(shì)下降[3]。為此，實(shí)現(xiàn)高氣孔率和高強(qiáng)度的結(jié)合一直是制備高性能多孔材料的難點(diǎn)。

為了改善多孔莫來(lái)石的強(qiáng)度，莫來(lái)石纖維和晶須逐漸被引入到結(jié)構(gòu)中。Li等[4]通過(guò)加入AlF3在等軸莫來(lái)石顆粒中原位形成莫來(lái)石晶須，在55%的氣孔率下得到了100 MPa的抗彎強(qiáng)度，明顯高于She等[5]制備的相同氣孔率下無(wú)增強(qiáng)體的多孔莫來(lái)石的強(qiáng)度(30 MPa)，充分體現(xiàn)了晶須增強(qiáng)的效果。Dong[6-9]、Hou[10]等以多晶莫來(lái)石纖維為基體，SiO2-B2O3、莫來(lái)石和方石英為高溫粘結(jié)劑制備了類似鳥巢的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在高達(dá)83%的氣孔率下仍表現(xiàn)出了2.25 MPa的相對(duì)高的抗壓強(qiáng)度。前期研究表明[11]，莫來(lái)石晶須可通過(guò)Al2O3、SiO2和AlF3體系制得，表面光滑，具有較大的長(zhǎng)徑比，結(jié)構(gòu)非常接近理想晶體。在形成晶須的同時(shí)，晶須之間的燒結(jié)也同步實(shí)現(xiàn)，且燒結(jié)強(qiáng)度很高。在60%氣孔率時(shí)具有142 MPa的抗壓強(qiáng)度，在94%氣孔率時(shí)仍然有1.7 MPa。該強(qiáng)度為普通等軸莫來(lái)石多孔材料強(qiáng)度的兩倍。

Meyers等[12]通過(guò)研究巨嘴鳥的大喙發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部多孔和表面致密相結(jié)合的微觀結(jié)構(gòu)具有極高的強(qiáng)度。巨嘴鳥的喙表面為角蛋白片形成的致密光滑層，內(nèi)部為富鈣蛋白質(zhì)形成的多孔泡沫結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得其密度僅為0.1～0.2 g/cm3，但抗彎強(qiáng)度卻高達(dá)90 MPa，充分展現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)。……