項目名稱Hierarchy結(jié)構(gòu)高強度低熱導(dǎo)陶瓷微球制備技術(shù)

1、項目名稱：Hierarchy結(jié)構(gòu)高強度低熱導(dǎo)陶瓷微球制備技術(shù)所屬領(lǐng)域：03材料、冶金合作單位（排序）：1. 上海中廣核工程科技有限公司2. 航系統(tǒng)工程研究所項目簡介（嚴格限500字以內(nèi)）：（1）立項依據(jù)空心玻璃/陶瓷微球是新型無機非金屬球形材料，具有粒度小、質(zhì)量輕、比表面積大、隔熱隔音性能好、耐高溫等多種特性，具備常規(guī)材料所不具備的特殊功能，因此被廣泛地運用于航空航天、深海開發(fā)、核電、儲能材料、催化等領(lǐng)域。尤其是該類陶瓷微球的低密度和低熱導(dǎo)特性，可作為低密度和隔熱涂料的填料使用，從而使這類涂料在航空航天防熱、輸熱管道、高溫爐、建筑物墻體中獲得了重要應(yīng)用。傳統(tǒng)制備方法獲得空心陶瓷微球基本為殼體結(jié)

2、構(gòu)，孔隙率高，但是力學(xué)強度低，在應(yīng)力作用下易破碎，從而失去輕質(zhì)和低熱導(dǎo)特性。為了解決高力學(xué)強度和低密度（低熱導(dǎo)率）的矛盾難題，申請人創(chuàng)新性提出Hierarchy結(jié)構(gòu)的陶瓷微球結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，并獨立開發(fā)出一種新型高效的Hierarchy結(jié)構(gòu)陶瓷微球制備技術(shù)和成套設(shè)備，其原理是將電噴法和非溶劑致相轉(zhuǎn)化方法相結(jié)合，利用聚合物在溶劑和非溶劑兩種體系中溶解度的差異，由聚合物和溶劑組成的穩(wěn)定的浸入非溶劑凝膠浴后，溶劑和非溶劑在界面發(fā)生互擴散，導(dǎo)致聚合物溶液發(fā)生液-液分相，聚合物由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，成為陶瓷微球的前驅(qū)體，再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，去除前驅(qū)體中的有機物成分并使球體致密化，得到最終層狀多孔隔熱微球。主要創(chuàng)新點創(chuàng)

3、新性的設(shè)計了三維靜電輔助微噴系統(tǒng)，成功研制出新型Hierarchy結(jié)構(gòu)低熱導(dǎo)高強度的中空陶瓷微球，該技術(shù)可以精確控制陶瓷微球成分、尺寸、微結(jié)構(gòu)；采用此結(jié)構(gòu)的陶瓷微球噴涂制備出的熱障陶瓷涂層的壽命比現(xiàn)有涂層的壽命提高近4倍；采用此結(jié)構(gòu)的玻璃陶瓷微球成功獲得輕質(zhì)燒蝕防熱柔性復(fù)合涂層材料，該涂層密度0.45 g/cm3，耐熱溫度大于2000 C，燒蝕率低于0.02 mm/s，熱導(dǎo)率0.10 W/mK。（3）標(biāo)志性成果的產(chǎn)生方式發(fā)表論文（1）Fangwei Guo*, Dong Su, Yang Liu, Jianming Wang, Xiao Yan, Jing Chen, Shunquan Che

4、n, High acid resistant SiOC ceramic membranes for wastewater treatment, Ceramics International,2018, 44(11):13444-13448.（2）Fangwei Guo*, Yang Liu, Guowei Wang, Meiyu Yi, Huangyue Cai, Xin Wang, Ping Xiao, Xiaofeng Zhao, Hydrothermal ageing of tetragonal zirconia porous membranes: Effect of thermal r

5、esidual stresses on the phase stability, 2018, Corrosion Science, 2018, 142(66-78).（3）Fangwei Guo *, Xing Chen, Guowei Wang, Zouzhong Hua, Xin Wang, QinZhang, Xiaofeng Zhao*, Ping Xiao. Hollow Ceramic Microspheres Prepared byCombining Electro-spraying with Non-solvent Induced Phase Separation Method

6、:A Promising Feedstock for Thermal Barrier Coatings. Materials and Design, 2018,139: 343-350.（4）Wei Hong, Fangwei Guo*, Jianwei Chen, Xin Wang, Xiaofeng Zhao, Ping Xiao, Bioactive glasschitosan composite coatings on PEEK: Effects of surface wettability and roughness on the interfacial fracture resis

7、tance and in vitro cell response, Applied Surface Science, 2018,440:514-523.（5）Lirong Luo, Xiao Shan, Yi Guo, Chunshan Zhao, Xin Wang, Xiaofeng Zhao, Fangwei Guo*, Ping Xiao. Thermal barrier coatings with interface modified by 3D mesh patterns: Failure analysis and design optimization. Journal of th

8、e American Ceramic Society, 2018, 101(5):2084-2095.（6）Zhonghua Zou, Chen Xing, Limin He, Xiao Shan, Lirong Luo, Xiaofeng Zhao, Fangwei Guo, Ping Xiao. A Highly Strain and Damage Tolerant Thermal Barrier Coating Fabricated by Electrosprayed Zirconia Hollow Spheres. Journal of the American Ceramic Soc

9、iety, 2018, 101(9): 4375-4386.（7）Fangcheng Cao, Xiaohui Fan, Bing Liu, Xiaofeng Zhao, Fangwei Guo, Ping Xiao. Microstructure and Thermal Conductivity of Fully Ceramic Microencapsulated Fuel Fabricated by Spark Plasma Sintering. Journal of the American Ceramic Society, 2018, 101(9): 4224-4236.（8）Wei

10、Hao, Qihui Zhang, Chen Xing, Fangwei Guo, Meiyu Yi, Xiaofeng Zhao, Ping Xiao, Assessment of the Performance of Y2SiO5 -YSZ/YSZ Double-layered Thermal Barrier Coatings, 2018, /10.1016/j.jeurceramsoc.2018.09.024科學(xué)意義：以上已發(fā)表的論文均是圍繞層狀多尺寸孔隙/中空結(jié)構(gòu)(Hierarchy結(jié)構(gòu))的球形陶瓷粉體的制備方法、成分優(yōu)化、微觀結(jié)構(gòu)和噴涂功能涂層的工藝研究，采用該結(jié)構(gòu)的陶瓷微球制備的航

11、空發(fā)動機熱障涂層因其特殊的孔隙和微裂紋微觀結(jié)構(gòu)，顯著的提高了陶瓷材料的應(yīng)變?nèi)菹藓透邷叵喾€(wěn)定性，繼而獲得更高的服役壽命；同時采用優(yōu)化設(shè)計的Hierarchy結(jié)構(gòu)的制備的生物陶瓷涂層具有更高的骨細胞黏附和增殖能力，并揭示了生物陶瓷材料與聚合物材料界面斷裂的能量機理。申請專利:郭芳威，等。陶瓷螺旋纖維增強硅橡膠輕質(zhì)耐燒蝕隔熱涂料及其應(yīng)用.發(fā)明專利，專利申請?zhí)枺?01810845628.X.郭芳威*,趙曉峰等。一種具有非對稱結(jié)構(gòu)的碳中空微球制備方法。發(fā)明專利專利號：ZL 201510115007.2，授權(quán)日期：2018年。郭芳威#*，趙曉峰等。陶瓷中空微球表面原位生長碳納米纖維的方法。發(fā)明專利，專利號

12、：ZL 201510114975.1. 授權(quán)日期：2018年。郭芳威，邢辰等。一種高通量制造多孔微球設(shè)備相轉(zhuǎn)化輔助靜電微噴系統(tǒng)。發(fā)明專利，專利號，201820185622.X（實審中）。郝巍，郭芳威等。 HYPERLINK /Patent/201610485194 t _blank 一種溫度敏感型Y2SiO5：Eu智能熱障涂層的制備方法及其應(yīng)用。發(fā)明專利，專利申請?zhí)枺?01610485194.8（實審中）。郝巍，郭芳威等。一種微結(jié)構(gòu)構(gòu)造中間層界面Mullite/硅酸釔復(fù)合涂層的制備方法。發(fā)明專利，專利申請?zhí)枺?01610463687.1 （實審中）。經(jīng)濟社會效益：以上已經(jīng)申請/授權(quán)的發(fā)明專利【

13、4】“一種高通量制造多孔微球設(shè)備相轉(zhuǎn)化輔助靜電微噴系統(tǒng)”制備的Hierarchy結(jié)構(gòu)（即，層狀非對稱結(jié)構(gòu)）陶瓷微球的表面封閉或有開孔，內(nèi)部具有層狀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)使得該產(chǎn)品具有密度低、強度高、熱導(dǎo)率低、比表面積大、耐蝕性好等優(yōu)異特性，可應(yīng)用于絕緣材料、隔熱填充介質(zhì)、耐燒蝕材料、吸音降噪材料、藥物載體、催化劑載體、噴涂粉料等領(lǐng)域，市場前景廣闊。尤其是該結(jié)構(gòu)陶瓷微球作為隔熱和耐燒蝕填料制備的涂料，可實現(xiàn)航空航天領(lǐng)域的超高溫防熱應(yīng)用需求，解決我國大推力運載火箭、導(dǎo)彈及載人返回艙等熱防護問題，降低成本，提升裝備性能。也可推廣至工業(yè)領(lǐng)域，如鍋爐、管道保溫、核電、印染等領(lǐng)域，有廣闊的市場主持人及主要完成人簡

14、介：項目主持人：郭芳威共同完成人：邢辰（在讀博士生），鄒忠華（在讀博士生），羅麗榮（在讀博士生），郝?。ㄔ谧x博士生）郭芳威，2012年畢業(yè)于英國曼徹斯特大學(xué)，獲得博士學(xué)位，現(xiàn)任上海交通大學(xué)材料學(xué)院講師，主要從事高溫防熱耐燒蝕涂層、核反應(yīng)堆防護涂層以及生物涂層研究。博士期間從事開溶液體系熱障涂層制備工藝和性能研究，她開發(fā)的新型熱障涂層技術(shù)服役壽命可與現(xiàn)有技術(shù)制備的熱障涂層媲美，但其制造成本僅為目前技術(shù)的1/20。目前主持科研項目2項（經(jīng)費共計350萬元），與中廣核合作，開發(fā)核反應(yīng)堆管道保溫涂層，一期已經(jīng)完成，明年實現(xiàn)應(yīng)用，同時與上海交通大學(xué)附屬醫(yī)院合作，研究人工骨頭關(guān)節(jié)表面的生物涂層.此外，還與團隊一起開發(fā)了改性硅樹脂/硅橡膠/陶瓷中空微球為主體材料的復(fù)合耐燒蝕防熱涂料，該涂料已經(jīng)通過了XXX軍工單位的模擬高熱流環(huán)境的防熱性能測試，是目前國內(nèi)唯一能夠滿足長征XX號大推力運載火箭的熱防護涂層。郭芳威近5年來發(fā)表學(xué)術(shù)論文近30篇，申請發(fā)明專利20余項。項目特色：本項目研究的特殊結(jié)構(gòu)陶瓷微球采用申請人獨立研發(fā)的一套新型高效的多孔陶瓷微球制備設(shè)備獲得，設(shè)備工作原理是將非溶劑致相轉(zhuǎn)化化學(xué)機理與靜電噴涂方法相結(jié)合，從而可低成本、高效率、大批量制備具有Hierarchy結(jié)構(gòu)的尺寸、成分和孔徑可調(diào)節(jié)的陶瓷微球。該設(shè)備由漿料供給系統(tǒng)、電噴系統(tǒng)、接收槽和收料