Formation of Ultra-High Temperature Ceramic Hollow Microspheres as Promising Lightweight Thermal Insulation Materials via a Molten Salt-Assisted Template Method

材料科学 热导率 陶瓷 熔盐 多孔性 复合材料 微观结构 化学工程 体积分数 冶金 工程类
作者
Kai Zhao,Fang Ye,Laifei Cheng,Jie Zhou,Yucong Wei,Xuefeng Cui
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (31): 37388-37397 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsami.1c09662
摘要

Ultra-high temperature ceramics (UHTCs) have become a vital candidate material system for thermal protection systems in aerospace applications. However, high thermal conductivity and high density are the main obstacles to the application of UHTCs. It is a promising solution to prepare porous UHTCs using UHTC hollow microspheres (HMs) as a pore-forming agent. In this work, UHTC (ZrC, TiC, and HfC) HMs are successfully synthesized using carbon hollow microspheres (CHMs) as a template to react with metal powders in molten salt. The diameter of ZrC HMs is about 1 μm and the wall thickness is about 100 nm. The density of each microsphere and the volume fraction of ZrC are 3.36 g/cm3 and 48.42 vol %, respectively. The morphology, microstructure, and phase composition of the obtained ZrC HMs were characterized. The formation mechanism of the UHTC HMs was discussed. Porous ZrC ceramics were prepared using ZrC HMs as a pore-forming agent. The density and thermal conductivity of the porous ZrC ceramics are 3.12 g/cm3 and 1.82 W/(m·K), respectively, which are 53.64 and 91.12% lower than the density and thermal conductivity of dense ZrC ceramics, respectively. The results indicated that ZrC HMs are promising as pore-forming agents or a matrix for lightweight thermal insulation and high-temperature resistance applications in ultra-high temperature environments.
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