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陶瓷空心微球，產(chǎn)業(yè)化潛力巨大

中空微球，是一種內核為空氣或其它氣體，外層為樹脂、碳、玻璃或陶瓷特殊中空結構的新型材料，具有密度小、熱穩(wěn)定性優(yōu)異、導熱系數(shù)低等特點。使用空心微球作為空心填料加入到飛行器的燒蝕材料層，使其均勻分散在基體材料中，可在減輕復合材料質量的同時提高復合材料的力學性能和熱性能，隔絕飛行器與大氣層劇烈摩擦后產(chǎn)生的巨大熱量，保護內部構件正常工作的同時加大飛行速度、飛行距離。

在各類微球材料中，陶瓷空心微球是一種輕質、高強度并且耐高溫絕熱的新型材料，與傳統(tǒng)的玻璃空心微球相比，陶瓷空心微球的抗壓強度可以達到前者的數(shù)十倍甚至上百倍；同時與致密的耐火材料相比，具有低密輕質、抗熱震性好、保溫性能好和導熱系數(shù)低等特點；與普通的隔熱材料相比，具有高強度、耐高溫和高溫燒蝕收縮量低等特點，所以陶瓷空心微球不僅可以作為隔熱層，也可以直接與火焰接觸，是優(yōu)質的輕型結構耐超高溫的新型材料，廣泛應用在軍事武器、航空航天等領域。

同時，陶瓷空心微球的原材料豐富，價格較低廉，所以具有非常大的產(chǎn)業(yè)化潛力。但是目前受限于陶瓷空心微球的制備成本高，沒有穩(wěn)定成型的產(chǎn)品，僅僅在醫(yī)藥、化工、石油等領域有了初步的應用。

陶瓷空心微球的基材可以是氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅等耐高溫陶瓷，這些陶瓷的本征力學性能優(yōu)異，基材的耐溫等級都超過1000℃。由于陶瓷空心微球能經(jīng)受陶瓷材料成型工藝中的高溫燒結，因此低密度陶瓷空心微球除了用于航空航天低密度樹脂基復合材料的制備，還可用于連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料（CMCs）的制備，能夠開拓空心微球在高溫/超高溫CMCs方面的新型應用。

CMCs未來將廣泛用于航天再入式飛行器頭錐、翼前緣、發(fā)動機以及大推重比航空發(fā)動機的制備，例如美國通用公司前些年已試車成功的CMCs為主體材料的航空發(fā)動機，由于陶瓷空心微球的使用使其推重比大大提高，陶瓷空心微球的使用對實現(xiàn)陶瓷材料的減重、隔熱具有重大的意義。

航空發(fā)動機（圖源：Pratt & Whitney官網(wǎng)）

然而，據(jù)國內科研人員介紹，由于制備的困難，國內目前還沒有應用于相關領域的性能可靠的微納陶瓷空心微球產(chǎn)品，而美國公司的微米級陶瓷空心微球產(chǎn)品對我國實施嚴格禁售禁運。

氧化鋁空心微球，產(chǎn)業(yè)化制備技術是大問題

氧化鋁陶瓷空心微球由于其獨特的性能，如輕質、高比表面積、低導熱系數(shù)和流動性好以及較大的內部空間而受到越來越多的關注和研究。Al2O3陶瓷本身就具有機械強度高、耐腐蝕和耐高溫性等優(yōu)點，因此利用納米氧化鋁粉體為主體制備的空心微球也具有強度高、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)點。

同時，由于制備原材料豐富、價格低廉，使得氧化鋁陶瓷空心微球具有很高的性價比以及廣闊的商業(yè)價值（在藥物載體、吸附劑、催化劑、橡塑填料等領域已有大量研究或初步應用）。且因其在極端情況下的優(yōu)異表現(xiàn)，可以在航空航天、船舶艦艇等領域開展有前景的應用。

在現(xiàn)有的關于氧化鋁微球的報道中，采用了不同的制備方法，包括溶劑熱法、凝膠法和模板法等。但是，目前氧化鋁微球的制備技術仍然存在很大的問題。比如凝膠法周期長、原料價格昂貴、凝膠中有微孔，干燥中會逸出氣體，且產(chǎn)生收縮；溶劑熱法設備要求高，技術難度大，安全性差。

模板法是制備球形度高、粒徑分布單一的氧化鋁空心微球的主要方法，但前提是模板本身的粒徑分布以及球形度要滿足要求；同時模板法還存在制備過程較為復雜、去模板時可能會破壞殼結構、機械強度差、需要特殊的設備、成本較高等不足，目前基本上處于實驗室研究階段，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要克服不足之處。

由于國內對球壁致密的微米級氧化鋁陶瓷空心微球批量化穩(wěn)定制備方面尚屬空白，而西方國家對我們又實行嚴格禁運，傳統(tǒng)的方法又只能小規(guī)模制備納米尺寸的陶瓷空心球，國內現(xiàn)有的氧化鋁陶瓷空心球材料還不具備結構材料所需要的理想性能。因此需要開發(fā)一種可以有效大規(guī)模制備氧化鋁空心微球的方法，以保證我國在高端裝備制造領域的應用需求。

參考來源：

[1]陸晨，熱等離子體制備高強度陶瓷空心微球的研究，中國科學院大學

[2]孫趙軍，噴霧干燥法制備氧化鋁陶瓷空心微球，華南理工大學

[3]張毅等，微球氧化鋁制備研究進展，北京化工大學

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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