模板形貌设计提高碳化硅网状多孔陶瓷力学性能研究新进展

 近日，《Ceramics International》刊发平台李亚伟教授团队最新研究成果：模板孔筋形貌对碳化硅网状多孔陶瓷力学性能影响研究“Influence of template strut morphology on the mechanical performance of SiC reticulated porous ceramics”。该研究基于3D打印设计孔筋形貌各异的多孔模板，采用碳化硅浆料涂覆-反应烧结工艺制备碳化硅网状多孔陶瓷，通过实验手段以及有限元模拟对比分析，探究了模板孔筋的形貌对碳化硅多孔陶瓷断裂方式以及骨架内部应力场分布的影响，这项工作为网状多孔陶瓷制备过程中多孔模板形貌的优化提供了思路。

 论文第一单位是武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，第二单位是武汉科技大学高温材料与炉衬技术国家地方联合工程研究中心。通讯作者为李亚伟教授，博士后梁雄为第一作者，平台桑绍柏教授、贺铸教授，青年教师王庆虎以及武汉科技大学本科生杨京元为共同作者。

图1 含不同孔筋形貌的多孔模板设计

图2 基于3D打印模板法制备的碳化硅网状多孔陶瓷

图3 含中空骨架的多孔陶瓷模型的建立

图4 含中空骨架的多孔陶瓷应力场分布

 论文简介：碳化硅网状多孔陶瓷作为关键部件常被应用于熔融金属过滤领域。传统有机泡沫浸渍法制备碳化硅多孔陶瓷因海绵模板的烧失导致碳化硅骨架内残留着尖锐的三角孔洞，显著提高了多孔陶瓷在服役过程中的损毁风险。为揭示模板形貌对碳化硅多孔陶瓷力学性能的影响，本工作基于3D打印技术设计孔筋截面分别为三角形、正方形和圆形的多孔模板，采用碳化硅浆料涂覆、反应烧结制备碳化硅多孔陶瓷。结果发现，模板孔筋的逐渐钝化，能大幅提高碳化硅多孔陶瓷的耐压强度和抗损毁能力；并且在单轴压缩实验中，含中空三角骨架的碳化硅多孔陶瓷完全碎裂，而含中空圆形骨架的表现为部分损毁。采用有限元模拟碳化硅多孔陶瓷应力场分布可知，当模板孔筋由三角形向圆形转变时，碳化硅骨架的应力减小并趋于均匀分布，显著提高了多孔陶瓷的抗损毁能力。

 该项研究得到了中国国家自然科学基金委面上项目（No. 51872211, 51702240和51974211）；湖北省杰出青年基金项目（2019CFA050）、湖北省中央引导地方科技发展专项计划（No.2019ZYYD076）和（No.2019ZYYD003）的支持。

 全文链接：http://doi.org.wust.dr2am.cn/10.1016/j.ceramint.2020.03.257