杨金龙教授清华大学结构陶瓷课题组主要研究领域:

1. 先进陶瓷胶态成型新工艺及理论研究;

2. 陶瓷微/纳米空心球制备工艺及其应用研究;

3. 空心球保温绝热材料的制备及应用研究;

4. 高价反离子缓释直接凝固成型工艺研究;

5. 远红外陶瓷微珠的制备及应用研究;

6. 陶瓷天线罩材料的研究;

7. 陶瓷滤料的制备及应用研究;

8. 可与气凝胶媲美的新型超轻材料。

本课题组承担了多项国家863973、国家自然科学基金、北京市科委项目和课题的研究,并取得重大的研究成果。如:课题组研发的悬浮体高效连续化成型机是高性能陶瓷胶态成型的关键设备,是胶态成型产业化的基础,陶瓷悬浮体连续化成型装备,实现了从悬浮体制备到固化、脱模、清洗和烘干的整个成型过程的连续化,保证了悬浮体制备、浆料浸模、挤压合模、固化、脱模、模具清理和烘干的连续化进行,实现规模化了生产,大大提高了生产效率。浸入式成型设备的研制也为研制高精度球示范生产线奠定了坚实的基础。激光加工陶瓷坯体技术的研究,为陶瓷坯体的成型和加工提供了新的思路,具有重要的理论意义和使用价值。

1. 先进陶瓷胶态成型新工艺及理论研究

高性能陶瓷材料的制备工艺是陶瓷材料开发和应用的前提。成型工艺在整个陶瓷材料的制备过程中起着承上启下的作用,是保证陶瓷材料及部件的性能可靠性及生产可重复性的关键。清华大学黄勇及杨金龙教授课题组自上世纪90年代就致力于陶瓷成型工艺的研究,紧密结合国家“863”“973”计划任务,对陶瓷水基胶态注射成型工艺装备及应用、陶瓷胶态注射成型工艺可控性等一系列关键技术进行了深入而系统的研究。发明了陶瓷胶态注射成型新工艺,研制成功具有国际领先水平的陶瓷胶态注射成型机,解决了注射的可控性和快速原位固化等关键技术,同时首次将压力引入陶瓷胶态注射成型过程,使其与温度、固化剂含量一起作为悬浮体快速原位固化的控制因素,成功地实现了低粘度水基非塑性陶瓷浆料的注射成型。陶瓷胶态注射成型新工艺还获得国家技术发明二等奖,教育部一等奖、德国纽伦堡金奖。本项目旨在对陶瓷胶态成型工艺进行深入研究,为推动我国乃至世界高性能陶瓷的产业化做贡献。

2.  陶瓷微/纳米空心球制备工艺及其应用研究

陶瓷聚空心球是一种由一个或多个尺寸微小的空心球组成的无机非金属材料球体,直径在几十至几百微米之间,具有质轻、低导热、隔音、耐磨、高分散、电绝缘性和热稳定性好、制备成本低等特点,是一种用途广泛的质轻、高强、性能优异的新型轻质空心材料,能够满足石油固井、保温耐火材料、建筑夹层保温、吸声降噪、建筑外墙的保温节能、回归反射材料、生物制药缓释药物的载体等要求。此外,在电子工业轻质封装材料、吸波材料、深水浮力材料、低度粘合剂、轻质高强混凝土等方面也有潜在的用途。与传统的空心玻璃微珠相比,陶瓷聚空心球抗压强度更高,可以达到前者数十倍。市场范围极具广泛,应用前景巨大。本项目发明了一种制备陶瓷聚空心球的方法,该方法对于陶瓷粉体具有普适性,可应用于煤矸石、粉煤灰等固体废弃物的聚空心球制备上。所制备的聚空心球可应用在沙漠治理、土壤缓释、保温防火、建筑材料等领域。目前,已成功制备出开孔/闭孔煤矸石和粉煤灰空心球,其中煤矸石空心球已成功用于制备防火保温板。在山西汾西孝义开发区建设的一条年产5万吨的陶瓷空心微珠生产线已投入生产。

3. 空心球保温绝热材料的制备及应用研究

无机保温材料由于具有防火性好、阻燃性强、变形系数小、抗老化性能强、使用寿命长、安全性高等优点,受到人们的极大关注。但同时,无机保温材料存在品种数量少、容重高、导热系数高、吸水性大等缺点,制约着其使用范围。杨金龙教授课题组在克服上述不足的前提下,以微米级无机空心球为主要原料,采用直接发泡法成功研制出具有二级闭孔结构的无机保温材料。材料中一级孔的孔隙率占总孔隙率的30-85%,孔径尺寸分布在0.5-1.0 mm,二级孔的孔隙率占总孔隙率的70-15%,孔径尺寸在0.01-0.05mm,这种特殊的二级孔结构使此保温材料具有非常低的导热系数(0.027-0.058 W/m•K),已经达到有机保温材料水平。同时,此材料还具有容重低(0.1-0.2 g/cm3)、强度高(1-5 MPa)、吸水率小、施工过程简单、工程成本低、符合生态环保的要求等优点,而且防火等级可达A1级,即不燃的级别。这种A1级防火保温板导热系数最低达到0.027W/m•K,达到国际领先水平。

4.  高价反离子缓释直接凝固成型工艺研究  

先进陶瓷胶态成型工艺是制备高性能、高可靠性陶瓷的关键工序之一。针对先进陶瓷胶态成型工艺存在的反应体系有毒、坯体强度低、普适性不够等问题,本项目发明了陶瓷高价反离子直接凝固注模成型(Direct coagulation casting via high valence counter ions, DCC-HVCI )和陶瓷分散剂失效原位凝固注模成型(Dispersion removal coagulation casting, DRCC)两种新型胶态成型工艺,这是两项原创性的成果,陶瓷韦伯模数大幅度提高,得到国际同行认可。以高价反离子对陶瓷悬浮体具有较强的聚沉能力为切入点,提出陶瓷高价反离子直接凝固注模成型的学术思想,并发明了四种可控释放高价反离子的新方法。(1)采用温度控制碘酸钙溶解度变化释放钙离子固化负电氧化铝悬浮体的方法;(2)采用温度控制磷酸钙与盐酸反应释放磷酸根离子固化正电氧化铝悬浮体的方法;(3)采用温度控制及pH值调节分解柠檬酸盐释放高价反离子固化氧化铝、锆钛酸铅、钛酸锶钡悬浮体的方法;(4)采用pH值调节分解柠檬酸镁释放镁离子固化氧化铝(锆)悬浮体的方法。上述四种方法可制备性能良好的陶瓷,具有较好的应用前景。同时以分散剂对陶瓷悬浮体的分散机制为依据,围绕陶瓷悬浮体的分散稳定机制,系统研究了陶瓷分散剂失效原位凝固注模成型新工艺,并发明了五种陶瓷分散剂可控失效的新方法。包括:分散剂反应失效原位凝固静电稳定陶瓷悬浮体;分散剂水解失效原位凝固静电稳定陶瓷悬浮体;分散剂交联失效原位凝固空间位阻稳定陶瓷悬浮体;聚合物电解质分散剂失效原位凝固静电空间位阻稳定陶瓷悬浮体;低温诱导分散剂失效原位凝固半空位稳定陶瓷悬浮体。

5.远红外陶瓷微珠的制备及应用研究

本项目研究了毫米级及亚毫米级陶瓷微珠的制备工艺并开发了一种远红外陶瓷微珠。这种微珠能够发射波长为814微米的远红外线,和人体皮肤红外吸收特性相同,具有良好的热效应和共振效应,其共振效应使生物分子产生共振吸收效应,使生物的分子能级激发而处于较高的共振能级,改善人体微循环,促进人体血液循环和新陈代谢;另外,还具有显著的降解血乳酸的作用,可加快运动员的疲劳恢复,促进运动员更加科学的训练。该远红外陶瓷微珠采用先进的胶态成球工艺制备而成,形状规则、圆润光滑。微珠粒径分布在0.3-3 mm,材料包括莫来石、复合硅酸锆等。这种陶瓷微珠具有良好的滚动性和接触感,且强度高、耐磨损,可直接与皮肤接触并能够直接置于微波炉中加热,使用方便,具有更高的远红外发射效率。该项目还开发、设计和生产了高发射率远红外陶瓷微珠系列产品,研制出一系列结构功能一体化远红外陶瓷微珠综合处理系统,在民用及竞技体育领域都得到广泛应用。

6.陶瓷天线罩材料的研究

天线罩是战术导弹和其它航天飞行器的一个重要部件,它位于飞行器最前端。为了保证各种飞行器的飞行速度,天线罩应具有导流、防热、透波、承载等多种功能,主要保护航天飞行器在恶劣环境条件下的通讯、遥测、制导、引爆等系统能正常工作。天线罩性能主要依赖于所选择的材料,尤其在制导系统中,天线罩的传输功率和瞄准误差十分敏感地依赖材料的介电性能及它们与温度、频率等的关系,要求材料具有低的介电常数和介电损耗,并且介电性能随温度、频率的改变不产生明显变化。飞行中的天线罩还要承受着由空气动力和纵向或横向加速度引起的机械应力,要求天线罩材料在满足对其耐热性能和介电性能要求的同时,必须具有足够的力学性能和抗雨蚀的能力。陶瓷材料具有较高的力学性能,适宜的介电性能,以及很好的耐热、耐腐蚀等性能,成为天线罩首选材料之一。本项目采用多孔氮化硅制备天线罩,研究了其介电性能、强度与孔径大小及分布的关系,并就天线罩的成型工艺参数进行了研究。

7. 陶瓷滤料的制备及应用研究

采用工业固体废弃物制备为微米级开孔空心球,表面和内部分布有大量微孔,具有非常优异的吸附和过滤性能,能够脱色、除异味和显著降低COD,在处理工业污水、河流和湖泊治理领域有广泛应用前景。处理污水后的空心球经过再生可以在海绵城市和土壤修复中再次使用。该技术在解决大宗工业固体废弃物、污水治理、海绵城市和土壤修复领域可以形成万亿级的产业规模。

8. 可与气凝胶媲美的新型超轻材料

首次以纳米溶胶颗粒为泡沫稳定剂,通过直接发泡法制备了气孔均匀、具有纳米孔壁(厚度30-110nm)的新型泡沫材料。其气孔率和比表面积分别达99%260  m2/g。与气凝胶相媲美,制备成本低廉,工艺可控,环境友好,无需高昂的超临界干燥设备,具有潜在应用价值。

杨金龙教授中北大学陶瓷课题组主要研究方向:

      1.  低维功能性无机非金属材料

该方向主要涉及零维荧光碳基材料和固体氧化物导电材料。研究高效可调荧光碳纳米颗粒的制备技术及其生物检测中的应用;可控制备荧光碳纳米颗粒与有机杂化结构并探索它们在光电、催化及非线性光学领域的应用。借助于核壳结构的纳米颗粒特殊烧结技术制备高电导率的纳米复相电解质,用于中低温固体氧化物燃料电池。

2.  结构功能一体化多孔陶瓷材料

该方向主要侧重可控制备微米级孔径、孔长度和气孔率的多孔功能陶瓷材料,研究它们的吸附、导电和催化性能,开发微米级孔径特殊结构陶瓷在压电和燃料电池电极领域的应用。
     3.  
激光技术在无机非金属材料中的应用

该方向主要是通过控制激光模式和参数开发加工陶瓷和制备新型纳米结构的技术。研究激光与无机非金属材料相互作用机制,激光加工陶瓷材料中存在的各种问题和特殊无机非金属纳米结构在激光下的形成机理及其性能。

 

 


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