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我所在铝硅酸盐聚合物及其复合材料方面取得重要进展
发布人:王亚明  发布时间:2016-01-31   浏览次数:98


在国家自然科学基金杰出青年基金(51225203)、面上基金(51372048)、青年基金(51502052)和黑龙省杰出青年基金等项目的资助下,经过10年的研究,我所贾德昌教授课题组在铝硅酸盐聚合物的聚合机理、高温陶瓷化机制、及其复合材料的性能演化和损伤机制等方面开展了系统研究,取得了一系列创新成果。

铝硅酸盐聚合物的聚合机制一直是国际上该领域的研究难题之一,有诸多假设,然而未有实验验证。我们采用红外光谱、核磁共振、局部电荷模型等方法手段同时结合扫描分析系统阐述了铝硅酸盐聚合物的聚合过程机理。随着聚合时间的延长,铝原子由初始的5配位和6配位完全转变为4配位、硅原子外部结合铝原子数目逐渐增多其化学环境由初始的Q4(0Al)完全转变为Q4(2Al)(见图1);通过局部电荷模型,我们预测了不同时间下的中间化学产物,并构建出最终铝硅酸盐聚合物的空间结构模型(见图2)。


硅酸盐聚合物具有低密度、低温成型、阻燃、环保、低成本的特点,然而,其低强度和本质脆性限制了其在高性能结构构件中的应用。针对这一问题,我所研究人员利用其室温制备、流变学行为优良的特性,开发了系列陶瓷/金属颗粒、纳米管、短纤维、连续纤维、金属网等系列复合材料(见图3),极大提高了其力学性能和服役可靠性,揭示了复合材料的强韧化与断裂机制。发现碳纤维和金属丝网均显示出显著强韧化效果,且使复合材料表现出伪塑性断裂特性。7mm短碳纤维含量仅为3.5vol%时达到峰值强韧化效果,弯曲强度、断裂韧性和断裂功分别比基体提高了4.4倍、10.6倍和118倍;而单向连续碳纤维作增强相时使上述指标分别提高11.6 倍、3.6 倍和71.5 倍(见表1);裂纹扩展原位观察揭示了复合材料的裂纹萌生、扩展及断裂的过程机制及复合材料的强韧化机理。碳纤维增韧的复合材料不仅力学性能优良,还表现出优异耐火阻燃特性(见图4)。


研究揭示了铝硅酸盐聚合物及其复合材料高温处理过程的陶瓷化机制、界面结构演化规律、处理温度对其室温和高温力学性能影响规律及高温损伤机制,获得最优高温处理工艺;发现铝硅酸盐聚合物可直接转变为具有孪晶组织结构的榴石陶瓷(见图5-6);碳纤维/铝硅酸盐聚合物复合材料可直接转变为碳纤维/榴石陶瓷复合材料;随处理温度提高界面结构由机械结合逐渐转变为化学结合,界面结构演化过程见图7;所得陶瓷基复合材料室温和高温力学性能以及高温抗氧化性优异(见图8-9),这主要归因于基体强化、界面结合适当以及高温残余应力松弛等三个因素。由此提出了一种绿色低成本制备高性能陶瓷基复合材料的新途径。

到目前为止,我们在国际上首次揭示了铝硅酸盐聚合物的聚合机理、高温陶瓷化机制、复合材料的界面结构演化和调控、室温和高温损伤机制,并利用其类似于树脂材料的流变性和室温操作特性开发出系列石墨烯、碳纳米管、陶瓷颗粒、中空微球、短纤维、连续纤维等增强的系列铝硅酸盐聚合物复合材料以及高性能榴石基陶瓷复合材料,具有优异的防火阻燃、大面积轻质防热隔热、吸波隐身、防腐和盐雾侵蚀、核废料固封等特性,因而在航空航天、国防、核能、海上风车叶片、石油钻进平台、船舶等等领域具有重要潜在应用。

本课题组研制开发出该体系复合材料5个系列共20余种,已申请国家发明专利20余项(授权3项)。在此方向已培养博士3人、硕士4人。在Comp Sci & TechnolJ Am Ceram SocJ Euro Ceram SocCeram Intern等专业期刊发表论文30余篇,根据web of science统计结果其中单篇引用次数超过40次的为2篇、单篇他引次数超过10的为7篇,SCI他引合计近200次,这在非热点的研究领域已属不易;并且2010年第4Ceram Intern采用我们的相关研究结果作为封面;铝硅酸盐聚合物的发明者法国科学家Joseph Davidovits在其著作《GEOPOLYMER Chemistry & Applications》和其综述文章“Geopolymers based on natural and synthetic metakaolin - A critical review”Materials Today,影响因子14.1)中大段引用我们课题组的相关成果;9次受邀在相关国际会议(6)和国内全国会议上作大会或邀请报告,其中包括3rd GEOPOLYMERCAMP 2011 (三届无机聚合物国际会议,2011,法国圣康坦)4th Inter. Symp. on Adv. Ceram. Tech. for Sustain. Ener. App. (ACTSEA-2013)(低碳社会可持续能源应用先进陶瓷与技术国际会议2013,台北)10th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology(PacRim10)(第十届环太平洋陶瓷与玻璃技术大会, 2013, 美国圣迭戈)International Congress on Ceramics(ICC5)(5届国际陶瓷大会, 2014,北京)11th Ceramic Materials & Component for Energy & Environmental Applications (11th CMCEE) (11届国际陶瓷材料及元器件在能源与环境中应用国际大会, 2015,加拿大温哥华)上做邀请报告,其中在2013年美国圣迭戈会议上在贾德昌教授因未及时获得签证不能到会的情况下,美国前工程陶瓷学会主席伊利诺依大学香槟分校的Kriven教授,Geopolymer分会主席亲自代替贾德昌教授做了邀请报告。另受国家出版基金资助,我们出版了国际上第一部从材料学角度研究探讨铝硅酸盐聚合物的专著《无机聚合物及其复合材料》(见图10)。该些都标志着我所在本领域的研究达到了国际先进,某些领域处于国际领先水平,得到国际同行的高度认可和关注。

 图10 国际上第一部从材料学角度研究探讨铝硅酸盐聚合物的专著


未来应用与合作开发领域:

1.机舱防火阻燃内衬;

2.大面积轻质防热吸波隐身构件,如高超声速飞行器耐热进气道;

3.防热透波窗口;

4.发动机轻质热防护罩;

5.海上防盐雾腐蚀风电叶片;

6.核废料固封。


联系人:贾德昌dcjia@hit.edu.cn; 何培刚 hepeigang@126.com