热爆反应驱动的Cu-Al-Si多孔材料结构优化与性能提升：气雾化与球磨Al-Si粉末的对比研究

为解决工业高温烟气过滤材料在渗透性、机械性能和耐腐蚀性方面的需求，中国矿业大学团队通过热爆反应(TE)合成Cu-Al-Si多孔材料，对比研究了气雾化与球磨Al-Si粉末的影响。研究发现球磨处理的Al-Si粉末通过减小晶粒尺寸、增加比表面积，显著提升材料压缩强度(55.72 MPa)、降低氧化增重(3.60%)和腐蚀电流密度(0.38 mA/cm2)，为高性能过滤材料设计提供了新思路。

　　

随着工业快速发展，高温烟气中的颗粒污染物已成为生态可持续发展的重大挑战。在钢铁、水泥等高耗能行业，传统过滤材料难以同时满足高温环境下对气体渗透性、机械强度和耐腐蚀性的严苛要求。多孔金属间化合物因其独特的孔道结构和优异的综合性能被视为理想解决方案，但传统制备方法存在能耗高、工艺复杂等瓶颈。中国矿业大学的研究团队创新性地采用热爆反应(TE)技术，通过对比气雾化与球磨Al-Si粉末对Cu-Al-Si多孔材料的影响，为这一领域带来了突破性进展。

研究团队主要运用了机械合金化球磨、热爆反应合成、X射线衍射(XRD)物相分析、扫描电镜(SEM)形貌观察等关键技术。其中球磨工艺参数设定为400 rpm/5 h，热爆反应过程监测了点火温度(T_ig)和燃烧温度(T_c)。

【原始粉末特性】
通过SEM分析发现，气雾化商业(Al/Si)粉末呈规则球形(20.00±0.10 μm)，而球磨制备的Al-Si粉末形成片状团聚体，比表面积显著增加。这种形貌差异为后续反应动力学差异埋下伏笔。

【热爆反应行为】
差示扫描量热(DSC)显示球磨样品放热峰更尖锐，总放热量达128.20±3.60 J/g，比商业粉末样品高18.5%。这归因于球磨粉末更大的接触面积和更高缺陷密度，促进了反应扩散。

【微观结构演变】
球磨样品形成连续均匀的骨架结构，孔隙率控制在45-50%之间。商业粉末样品则出现明显孔洞和裂纹，这与反应过程中熔融金属流动性差异直接相关。

【力学性能】
球磨样品压缩强度(55.72±1.75 MPa)较商业粉末样品(30.45 MPa)提升83%，断裂模式从脆性断裂转变为韧性-脆性混合断裂，这得益于更致密的微观结构。

【高温抗氧化性】
800℃氧化288小时后，球磨样品仅增重3.60%，表面形成连续Al₂O₃保护膜。商业粉末样品氧化层出现明显剥落，增重达7.89%。

【电化学腐蚀行为】
在0.5 mol/L H₂SO₄溶液中，球磨样品腐蚀电位(-0.36 V)负移但腐蚀电流密度(0.38 mA/cm²)降低，表明其通过牺牲阳极保护实现了动力学腐蚀抑制。

该研究证实通过粉末工程调控反应动力学可优化多孔材料性能。球磨处理通过三重机制发挥作用：(1)细化晶粒增强扩散；(2)增加缺陷密度降低反应活化能；(3)促进Al₂O₃保护膜形成。这些发现不仅为Cu-Al-Si材料在高温过滤领域的应用奠定基础，更为其他金属间化合物多孔材料的可控合成提供了普适性策略。研究团队特别指出，该方法相比传统工艺节能约40%，符合绿色制造发展趋势。

值得注意的是，这项工作由Peizhong Feng和Zhichao Shang共同指导，第一作者Zixuan Pang系统完成了材料制备与性能表征。论文发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，获得了国家自然科学基金(52020105011)和河南省国际科技合作项目(252102521081)的支持。