由于多孔陶瓷的脆性，高机械强度是基本要求中最重要的先决条件，尤其是在用作载体时。颗粒分级策略已在多孔陶瓷的制备中得到广泛推广，以提高机械强度。不幸的是，这通常伴随着孔隙率的显著牺牲。在多孔陶瓷领域，机械强度和孔隙率之间的权衡已得到充分认可，并且人们越来越多地致力于尝试克服这一问题。

近日，南京工业大学教授、博士生导师幸伟宏教授团队基于线性填充模型，提出了一种反向颗粒分级策略，制备出孔隙率高、机械强度高的多孔陶瓷。他们开发了制备单通道管状支架的策略，并研究了反向颗粒分级策略对陶瓷浆料、支架宏观性能和微观结构的影响。此外，该策略在19通道SiC管状陶瓷支架的制备中被证明是可行的。

该团队于 2024 年 5 月 22 日在《先进陶瓷杂志》上发表了他们的研究成果。

“粒度分级是先进陶瓷制备中的一种常见做法，可以调节陶瓷粉末和浆料的流动性、塑性和粘度。然而，大多数人倾向于将细颗粒添加到粗粉末基体中。这通常会导致机械强度和密度同时增加，这显然不是多孔陶瓷的目标。在最近的工作中，我们基于线性填充模型开发了一种新概念——反向颗粒分级策略，通过将粗颗粒异常地引入细颗粒基体。实现了具有更高机械强度和最大孔隙率的管状多孔SiC陶瓷载体。”该论文的通讯作者、南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、国家特种分离膜工程研究中心教授顾其林博士说。

随着粗 SiC 颗粒含量增加至 30 wt%，挤压过程中产生的压力从 5.5 ± 0.2 MPa 降低至 1.3 ± 0.1 MPa。值得注意的是，当加入 20 wt% 粗粉时，管状支撑体的弯曲强度从 36.6 ± MPa 增加至 49.1 ± 4.5 MPa。机械强度的显著提高归因于粗颗粒的分布延长了裂纹偏转的路径。此外，优化后的管状支撑体的平均孔径为 1.2 ± 0.1 μm，开孔率为 45.1 ± 1.6 %，水渗透率为 7163 ± 150 L·m -2 ·h -1 ·bar -1，并具有良好的耐碱和耐酸腐蚀性。“我们相信概念逆向颗粒分级策略将成为制备高机械强度和孔隙率的多孔陶瓷的一种经济高效的替代方案。”顾其林说。

未来他们将致力于进一步优化SiC管状多孔陶瓷支架的制备配方和工艺参数，以扩大其制备规模，并相信反向颗粒分级策略的概念可以有益于其他多孔陶瓷的开发。

其他贡献者包括梁正、张晗、李逸川、张文康、周健、钟兆祥均来自中国南京南京工业大学。

该项研究得到国家重点研发计划(2022YFB3805002)、国家自然科学基金(22308150)、广西壮族自治区科技攻关项目(GUIKE-AA22117015-1)、江苏省自然科学基金(BK20220345)、江苏省重点研发计划(No.BE2023360)、南京江北新区重点研发计划项目(ZDYF202203)以及江苏省科协青年科技人才提升计划(105019ZS_007)的资助。