近日，taptap下载安装安卓理学院耐高温与阻燃材料实验室王明超副教授团队在氧化铝陶瓷专用高强度耐高温胶的研发方面取得显著成果，所研发的热膨胀性能可调的锆改性磷酸铝基耐高温胶可为氧化铝陶瓷提供超60MPa的连接强度，相关成果以“The preparation and performance analysis of zirconium-modified aluminum phosphate-based high-temperature (RT-1500°C) resistant adhesive for joining alumina in extreme environment”发表在《Journal of Advanced Ceramics》。
耐高温陶瓷胶接技术在航空航天领域存在重大的应用需求，尤其涉及高超音速飞行器热防护系统的安装、固定与密封。当前传统的磷酸铝基耐高温胶虽能实现常规陶瓷及陶瓷基复合材料的高温连接，但难以在天地多次往返过程中保持胶接部位的连接效果。耐高温胶与被粘结基体之间的热膨胀差异是制约胶接技术耐久性与安全性的重要因素之一，这在一定程度上限制了空天往返飞行器的研发。
该团队充分利用高铝磷比磷酸铝基耐高温胶具有良好的结构可设计性的特点，通过在水浴反应阶段掺杂氢氧化锆来制备锆掺杂磷酸铝基耐高温胶。锆元素通过反应引入可键合并入胶基体初始无定型大分子网络结构中，这不仅可提高胶基体的热稳定性与低温粘结强度，还可在高温下分解出高膨胀性组分，提升胶基体的热膨胀系数。研究表明，Zr/Al比值显著影响胶黏剂内部的各种反应过程，特别是含锆化合物的类型。因此，锆的引入使得胶黏剂的热膨胀性可调，尤其是与氧化铝陶瓷之间具有高度的热膨胀系数（CTE）匹配。当且仅当Zr(OH)4与Al(OH)3的质量比为7:3时，A7Z3胶黏剂中含锆的化合物大部分为ZrO2，这是其CTE最高的关键原因。A7Z3在1500℃热处理后对氧化铝陶瓷的室温粘结强度达到67.2MPa。在热处理温度大于1000℃的范围内的高温结合强度在50MPa以上。在RT和1500℃之间进行40次热循环后，粘合强度仍达到10MPa。当温度在1000℃的温度下时，粘结方式主要是机械嵌合和物理粘附；高于1000℃时，粘结界面发生反应生成Al5BO9与莫来石，此时化学粘结开始发挥主要作用。本工作为更多元素改性磷酸铝基耐高温胶的研发提供了思路。
图1 锆改性磷酸铝基耐高温胶的粘结机理
本工作的第一作者为理学院2021级硕士生刘靖炫与安全科学与工程学院2023级硕士生完艳格，通讯作者为理学院王明超副教授和航空工程学院刘洪丽教授。本工作得到了国家自然科学基金、天津市自然科学基金、国重实验室开放课题及研究生创新项目的资助。
论文链接：https://www.sciopen.com/article/10.26599/JAC.2024.9220906
