轻质微球由于密度低、流动性好，在航天用复合材料中得到广泛应用。随着航天器件运行速度的提升，其面临的气动环境日益恶劣，气动热负荷可达到千摄氏度级别，这对复合材料及轻质微球的耐温性能提出了新的挑战。

根据轻质微球内部结构的不同，可分为多孔微球和空心微球，在高温环境下，多孔球的孔道可能发生坍塌，导致孔隙结构消失；而空心球在高温条件下易出现腔体结构的塌陷，这些因素会影响微球的隔热和力学性能的长期稳定性。而氧化铝的优异耐高温性能可用于提升微球相关结构的热稳定性与耐久性。但水热法、模板法、溶胶凝胶法制备的轻质氧化铝微球存在着步骤繁琐、成本高的局限性，而雾化干燥法为实现轻质氧化铝规模化生产提供了可能性。但当前雾化干燥法制备的氧化铝微球多以氧化铝粉体为原料，难以调控多孔球的孔隙分布以及降低空心球的气孔率。

为此，中国科学院理化技术研究所低温科学与技术全国重点实验室极域材料科学与工程研究中心微珠团队采用九水合硝酸铝为铝源，通过雾化干燥结合后续热处理制备了树枝状分级多孔氧化铝微球以及具有低气孔率的空心氧化铝微球。

团队通过喷雾冷冻干燥结合热处理制备了具有低密度、高孔隙率、低热导率的树枝状分级多孔氧化铝微球，研究了制备参数与微球性能之间的关系，此种微球经过1200 °C热处理后，仍保留树枝状分级多孔结构。

图1 树枝状分级多孔氧化铝微球×100倍图，前驱体溶液浓度(a) 2 mol/L, (b) 1.5 mol/L, (c) 1 mol/L, (d) 0.5 mol/L 热处理温度 (1) 150 °C, (2) 900 °C, (3) 1200 °C

图2 树枝状分级多孔氧化铝微球内部结构，热处理温度 (a) 150 °C, (b) 900 °C, (c) 1200 °C

团队通过单液滴冷冻干燥实验，研究了树枝状分级多孔氧化铝微球的成球机理，树枝状分级多孔结构为：冷冻干燥过程中形成的从外表面到中心的微米通道和热处理过程中铝盐分解产生的氧化铝骨架上的纳米级孔。该方法制备的微球的振实密度密度为0.1260 ~ 0.5438 g/cm³，真密度为2.1204 ~ 3.7254 g/cm³，导热系数可达0.05109 W/(m·K)，且经过1200 °C热处理后分级定向多孔结构仍存在。

通过改变干燥方式可以改变微球的内部结构。团队采用了喷雾热干燥结合热处理制备了具有低气孔率的空心氧化铝微球。此方法制备的HAMs具有低密度、低气孔率、低热导率以及良好的高温稳定性，且与此前相关研究相比，其等静压力学性能也得到提升。

图3 不同浓度和不同收集位置（ID：塔底收集，SD：旋风分离收集）的HAMs的光学显微镜图像（透射光模式）

图4 不同浓度和不同收集微球的HAMs的多球、单球、表面放大的电子显微镜图像

图5 HAMs在等静压1，3，5 MPa下的存活率

图6 空心玻璃微球（上）和空心氧化铝微球（下）高温热稳定对比

通过对理论与实验结果的分析，研究了低气孔率空心氧化铝微球的成型机理以及制备参数对微球性能的影响。制备的HAMs的振实密度为0.1106-0.1837 g/cm³, 真密度为0.5919-2.0315 g/cm³, 热导率为0.040-0.052 W/(m·K)，并在高温下仍能保持空心结构。

通过对氧化铝微球的雾化干燥工艺进行系统研究，获得了一系列具有低密度、高孔隙率、低热导率以及良好高温结构稳定性的轻质氧化铝微球。此类材料在隔热领域，尤其是高温隔热场景中，展现出巨大的应用潜力，可为高性能轻质空心氧化铝微球的进一步发展提供重要思路与方法学支撑。未来可通过优化微球的孔结构与界面结合方式，提升复合材料的高温热稳定性，从而推动航空航天等领域的材料轻量化与性能提升。

文章链接：

1、树枝状分级多孔氧化铝微球：https://doi.org/10.1016/j.powtec.2024.120027

2、低气孔率空心氧化铝微球：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.12.153