项目名称Hierarchy结构高强度低热导陶瓷微球制备技术

1、项目名称：Hierarchy结构高强度低热导陶瓷微球制备技术所属领域：03材料、冶金合作单位（排序）：1. 上海中广核工程科技有限公司2. 航系统工程研究所项目简介（严格限500字以内）：（1）立项依据空心玻璃/陶瓷微球是新型无机非金属球形材料，具有粒度小、质量轻、比表面积大、隔热隔音性能好、耐高温等多种特性，具备常规材料所不具备的特殊功能，因此被广泛地运用于航空航天、深海开发、核电、储能材料、催化等领域。尤其是该类陶瓷微球的低密度和低热导特性，可作为低密度和隔热涂料的填料使用，从而使这类涂料在航空航天防热、输热管道、高温炉、建筑物墙体中获得了重要应用。传统制备方法获得空心陶瓷微球基本为壳体结

2、构，孔隙率高，但是力学强度低，在应力作用下易破碎，从而失去轻质和低热导特性。为了解决高力学强度和低密度（低热导率）的矛盾难题，申请人创新性提出Hierarchy结构的陶瓷微球结构设计思想，并独立开发出一种新型高效的Hierarchy结构陶瓷微球制备技术和成套设备，其原理是将电喷法和非溶剂致相转化方法相结合，利用聚合物在溶剂和非溶剂两种体系中溶解度的差异，由聚合物和溶剂组成的稳定的浸入非溶剂凝胶浴后，溶剂和非溶剂在界面发生互扩散，导致聚合物溶液发生液-液分相，聚合物由液态变为固态，成为陶瓷微球的前驱体，再经过高温烧结，去除前驱体中的有机物成分并使球体致密化，得到最终层状多孔隔热微球。主要创新点创

3、新性的设计了三维静电辅助微喷系统，成功研制出新型Hierarchy结构低热导高强度的中空陶瓷微球，该技术可以精确控制陶瓷微球成分、尺寸、微结构；采用此结构的陶瓷微球喷涂制备出的热障陶瓷涂层的寿命比现有涂层的寿命提高近4倍；采用此结构的玻璃陶瓷微球成功获得轻质烧蚀防热柔性复合涂层材料，该涂层密度0.45 g/cm3，耐热温度大于2000 C，烧蚀率低于0.02 mm/s，热导率0.10 W/mK。（3）标志性成果的产生方式发表论文（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科学意义：以上已发表的论文均是围绕层状多尺寸孔隙/中空结构(Hierarchy结构)的球形陶瓷粉体的制备方法、成分优化、微观结构和喷涂功能涂层的工艺研究，采用该结构的陶瓷微球制备的航

11、空发动机热障涂层因其特殊的孔隙和微裂纹微观结构，显著的提高了陶瓷材料的应变容限和高温相稳定性，继而获得更高的服役寿命；同时采用优化设计的Hierarchy结构的制备的生物陶瓷涂层具有更高的骨细胞黏附和增殖能力，并揭示了生物陶瓷材料与聚合物材料界面断裂的能量机理。申请专利:郭芳威，等。陶瓷螺旋纤维增强硅橡胶轻质耐烧蚀隔热涂料及其应用.发明专利，专利申请号：201810845628.X.郭芳威*,赵晓峰等。一种具有非对称结构的碳中空微球制备方法。发明专利专利号：ZL 201510115007.2，授权日期：2018年。郭芳威#*，赵晓峰等。陶瓷中空微球表面原位生长碳纳米纤维的方法。发明专利，专利号

12、：ZL 201510114975.1. 授权日期：2018年。郭芳威，邢辰等。一种高通量制造多孔微球设备相转化辅助静电微喷系统。发明专利，专利号，201820185622.X（实审中）。郝巍，郭芳威等。 HYPERLINK /Patent/201610485194 t _blank 一种温度敏感型Y2SiO5：Eu智能热障涂层的制备方法及其应用。发明专利，专利申请号：201610485194.8（实审中）。郝巍，郭芳威等。一种微结构构造中间层界面Mullite/硅酸钇复合涂层的制备方法。发明专利，专利申请号：201610463687.1 （实审中）。经济社会效益：以上已经申请/授权的发明专利【

13、4】“一种高通量制造多孔微球设备相转化辅助静电微喷系统”制备的Hierarchy结构（即，层状非对称结构）陶瓷微球的表面封闭或有开孔，内部具有层状多尺度孔隙结构使得该产品具有密度低、强度高、热导率低、比表面积大、耐蚀性好等优异特性，可应用于绝缘材料、隔热填充介质、耐烧蚀材料、吸音降噪材料、药物载体、催化剂载体、喷涂粉料等领域，市场前景广阔。尤其是该结构陶瓷微球作为隔热和耐烧蚀填料制备的涂料，可实现航空航天领域的超高温防热应用需求，解决我国大推力运载火箭、导弹及载人返回舱等热防护问题，降低成本，提升装备性能。也可推广至工业领域，如锅炉、管道保温、核电、印染等领域，有广阔的市场主持人及主要完成人简

14、介：项目主持人：郭芳威共同完成人：邢辰（在读博士生），邹忠华（在读博士生），罗丽荣（在读博士生），郝巍（在读博士生）郭芳威，2012年毕业于英国曼彻斯特大学，获得博士学位，现任上海交通大学材料学院讲师，主要从事高温防热耐烧蚀涂层、核反应堆防护涂层以及生物涂层研究。博士期间从事开溶液体系热障涂层制备工艺和性能研究，她开发的新型热障涂层技术服役寿命可与现有技术制备的热障涂层媲美，但其制造成本仅为目前技术的1/20。目前主持科研项目2项（经费共计350万元），与中广核合作，开发核反应堆管道保温涂层，一期已经完成，明年实现应用，同时与上海交通大学附属医院合作，研究人工骨头关节表面的生物涂层.此外，还与团队一起开发了改性硅树脂/硅橡胶/陶瓷中空微球为主体材料的复合耐烧蚀防热涂料，该涂料已经通过了XXX军工单位的模拟高热流环境的防热性能测试，是目前国内唯一能够满足长征XX号大推力运载火箭的热防护涂层。郭芳威近5年来发表学术论文近30篇，申请发明专利20余项。项目特色：本项目研究的特殊结构陶瓷微球采用申请人独立研发的一套新型高效的多孔陶瓷微球制备设备获得，设备工作原理是将非溶剂致相转化化学机理与静电喷涂方法相结合，从而可低成本、高效率、大批量制备具有Hierarchy结构的尺寸、成分和孔径可调节的陶瓷微球。该设备由浆料供给系统、电喷系统、接收槽和收料