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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(nèi)核為空氣或其它氣體，外層為樹(shù)脂、碳、玻璃或陶瓷特殊中空結(jié)構(gòu)的新型材料，具有密度小、熱穩(wěn)定性優(yōu)異、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)。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(fù)合材料質(zhì)量的同時(shí)提高復(fù)合材料的力學(xué)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(hù)內(nèi)部構(gòu)件正常工作的同時(shí)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(zhì)、高強(qiáng)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(qiáng)度可以達(dá)到前者的數(shù)十倍甚至上百倍；同時(shí)與致密的耐火材料相比，具有低密輕質(zhì)、抗熱震性好、保溫性能好和導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)；與普通的隔熱材料相比，具有高強(qiáng)度、耐高溫和高溫?zé)g收縮量低等特點(diǎn)，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(zhì)的輕型結(jié)構(gòu)耐超高溫的新型材料，廣泛應(yīng)用在軍事武器、航空航天等領(lǐng)域。
同時(shí)，陶瓷空心微球的原材料豐富，價(jià)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(méi)有穩(wěn)定成型的產(chǎn)品，僅僅在醫(yī)藥、化工、石油等領(lǐng)域有了初步的應(yīng)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(xué)性能優(yōu)異，基材的耐溫等級(jí)都超過(guò)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?zé)Y(jié)，因此低密度陶瓷空心微球除了用于航空航天低密度樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備，還可用于連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）的制備，能夠開(kāi)拓空心微球在高溫/超高溫CMCs方面的新型應(yīng)用。
CMCs未來(lái)將廣泛用于航天再入式飛行器頭錐、翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)以及大推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制備，例如美國(guó)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(dòng)機(jī)，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(duì)實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的減重、隔熱具有重大的意義。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)（圖源：Pratt & Whitney官網(wǎng)）
然而，據(jù)國(guó)內(nèi)科研人員介紹，由于制備的困難，國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域的性能可靠的微納陶瓷空心微球產(chǎn)品，而美國(guó)公司的微米級(jí)陶瓷空心微球產(chǎn)品對(duì)我國(guó)實(shí)施嚴(yán)格禁售禁運(yùn)。
氧化鋁空心微球，產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)是大問(wèn)題
氧化鋁陶瓷空心微球由于其獨(dú)特的性能，如輕質(zhì)、高比表面積、低導(dǎo)熱系數(shù)和流動(dòng)性好以及較大的內(nèi)部空間而受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究。Al2O3陶瓷本身就具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐高溫性等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)度高、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。
同時(shí)，由于制備原材料豐富、價(jià)格低廉，使得氧化鋁陶瓷空心微球具有很高的性價(jià)比以及廣闊的商業(yè)價(jià)值（在藥物載體、吸附劑、催化劑、橡塑填料等領(lǐng)域已有大量研究或初步應(yīng)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(lǐng)域開(kāi)展有前景的應(yīng)用。
在現(xiàn)有的關(guān)于氧化鋁微球的報(bào)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(shù)仍然存在很大的問(wèn)題。比如凝膠法周期長(zhǎng)、原料價(jià)格昂貴、凝膠中有微孔，干燥中會(huì)逸出氣體，且產(chǎn)生收縮；溶劑熱法設(shè)備要求高，技術(shù)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(shí)模板法還存在制備過(guò)程較為復(fù)雜、去模板時(shí)可能會(huì)破壞殼結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度差、需要特殊的設(shè)備、成本較高等不足，目前基本上處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還需要克服不足之處。
由于國(guó)內(nèi)對(duì)球壁致密的微米級(jí)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(guó)家對(duì)我們又實(shí)行嚴(yán)格禁運(yùn)，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(guó)內(nèi)現(xiàn)有的氧化鋁陶瓷空心球材料還不具備結(jié)構(gòu)材料所需要的理想性能。因此需要開(kāi)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(guó)在高端裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
參考來(lái)源：
[1]陸晨，熱等離子體制備高強(qiáng)度陶瓷空心微球的研究，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)
[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(xué)
[3]張毅等，微球氧化鋁制備研究進(jìn)展，北京化工大學(xué)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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