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陶瓷空心微球，产业化潜力巨大

中空微球，是一种内核为空气或其它气体，外层为树脂、碳、玻璃或陶瓷特殊中空结构的新型材料，具有密度小、热稳定性优异、导热系数低等特点。使用空心微球作为空心填料加入到飞行器的烧蚀材料层，使其均匀分散在基体材料中，可在减轻复合材料质量的同时提高复合材料的力学性能和热性能，隔绝飞行器与大气层剧烈摩擦后产生的巨大热量，保护内部构件正常工作的同时加大飞行速度、飞行距离。

在各类微球材料中，陶瓷空心微球是一种轻质、高强度并且耐高温绝热的新型材料，与传统的玻璃空心微球相比，陶瓷空心微球的抗压强度可以达到前者的数十倍甚至上百倍；同时与致密的耐火材料相比，具有低密轻质、抗热震性好、保温性能好和导热系数低等特点；与普通的隔热材料相比，具有高强度、耐高温和高温烧蚀收缩量低等特点，所以陶瓷空心微球不仅可以作为隔热层，也可以直接与火焰接触，是优质的轻型结构耐超高温的新型材料，广泛应用在军事武器、航空航天等领域。

同时，陶瓷空心微球的原材料丰富，价格较低廉，所以具有非常大的产业化潜力。但是目前受限于陶瓷空心微球的制备成本高，没有稳定成型的产品，仅仅在医药、化工、石油等领域有了初步的应用。

陶瓷空心微球的基材可以是氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅等耐高温陶瓷，这些陶瓷的本征力学性能优异，基材的耐温等级都超过1000℃。由于陶瓷空心微球能经受陶瓷材料成型工艺中的高温烧结，因此低密度陶瓷空心微球除了用于航空航天低密度树脂基复合材料的制备，还可用于连续纤维增强陶瓷基复合材料（CMCs）的制备，能够开拓空心微球在高温/超高温CMCs方面的新型应用。

CMCs未来将广泛用于航天再入式飞行器头锥、翼前缘、发动机以及大推重比航空发动机的制备，例如美国通用公司前些年已试车成功的CMCs为主体材料的航空发动机，由于陶瓷空心微球的使用使其推重比大大提高，陶瓷空心微球的使用对实现陶瓷材料的减重、隔热具有重大的意义。

航空发动机（图源：Pratt & Whitney官网）

然而，据国内科研人员介绍，由于制备的困难，国内目前还没有应用于相关领域的性能可靠的微纳陶瓷空心微球产品，而美国公司的微米级陶瓷空心微球产品对我国实施严格禁售禁运。

氧化铝空心微球，产业化制备技术是大问题

氧化铝陶瓷空心微球由于其独特的性能，如轻质、高比表面积、低导热系数和流动性好以及较大的内部空间而受到越来越多的关注和研究。Al2O3陶瓷本身就具有机械强度高、耐腐蚀和耐高温性等优点，因此利用纳米氧化铝粉体为主体制备的空心微球也具有强度高、耐腐蚀和耐高温等优点。

同时，由于制备原材料丰富、价格低廉，使得氧化铝陶瓷空心微球具有很高的性价比以及广阔的商业价值（在药物载体、吸附剂、催化剂、橡塑填料等领域已有大量研究或初步应用）。且因其在极端情况下的优异表现，可以在航空航天、船舶舰艇等领域开展有前景的应用。

在现有的关于氧化铝微球的报道中，采用了不同的制备方法，包括溶剂热法、凝胶法和模板法等。但是，目前氧化铝微球的制备技术仍然存在很大的问题。比如凝胶法周期长、原料价格昂贵、凝胶中有微孔，干燥中会逸出气体，且产生收缩；溶剂热法设备要求高，技术难度大，安全性差。

模板法是制备球形度高、粒径分布单一的氧化铝空心微球的主要方法，但前提是模板本身的粒径分布以及球形度要满足要求；同时模板法还存在制备过程较为复杂、去模板时可能会破坏壳结构、机械强度差、需要特殊的设备、成本较高等不足，目前基本上处于实验室研究阶段，实现产业化还需要克服不足之处。

由于国内对球壁致密的微米级氧化铝陶瓷空心微球批量化稳定制备方面尚属空白，而西方国家对我们又实行严格禁运，传统的方法又只能小规模制备纳米尺寸的陶瓷空心球，国内现有的氧化铝陶瓷空心球材料还不具备结构材料所需要的理想性能。因此需要开发一种可以有效大规模制备氧化铝空心微球的方法，以保证我国在高端装备制造领域的应用需求。

参考来源：

[1]陆晨，热等离子体制备高强度陶瓷空心微球的研究，中国科学院大学

[2]孙赵军，喷雾干燥法制备氧化铝陶瓷空心微球，华南理工大学

[3]张毅等，微球氧化铝制备研究进展，北京化工大学

（中国粉体网编辑整理/平安）

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