磷酸盐地质聚合物的酸浓度与固化条件对其微观结构及机电性能的影响机制研究

本研究针对磷酸盐地质聚合物（phosphate geopolymers）的微观结构调控与性能优化难题，通过系统探究H3PO4浓度（8-12 M）和固化条件（空气固化/75°C活化）对材料孔隙率、抗压强度及电阻率的影响，发现10 M酸浓度结合热活化可形成致密3D网络结构，获得抗压强度68.7 MPa、电阻率30 Ω·m的优异性能，为建筑材料和电子封装领域提供新策略。

　　

地质聚合物（Geopolymers）作为新型无机聚合物材料，近年来因其低碳环保、耐高温和高机械强度等特性，成为替代传统水泥的热门候选材料。然而，现有研究多聚焦碱激发体系，对酸激活的磷酸盐地质聚合物（phosphate geopolymers）的构效关系仍缺乏系统认知。尤其在实际应用中，如何通过调控酸浓度和固化工艺来平衡材料的力学性能与电学特性，成为制约其工程化应用的关键瓶颈。

针对这一挑战，埃及国家研究中心（National Research Center, Dokki, Cairo）耐火材料、陶瓷与建筑材料系的Mahmoud Farag Zawrah团队在《Next Materials》发表重要研究。该工作通过设计梯度酸浓度（8/10/12 M H₃PO₄）和差异化固化方案（空气固化/75°C预活化），结合多尺度表征技术，揭示了磷酸盐地质聚合物的"组成-结构-性能"关联规律，为开发高性能功能化地质聚合物提供了理论依据。

研究采用X射线衍射（XRD）、红外光谱（IR）和扫描电镜（SEM）分析相组成与微观形貌，通过阿基米德原理测定表观孔隙率与体积密度，并采用双探针法测量电阻率。关键实验发现：

3.1 物相组成分析

XRD显示所有样品均形成非晶态铝硅磷酸盐水合物（SiO₂-Al₂O₃-P₂O₅-nH₂O）与晶相2AlH₃(PO₄)₂·3H₂O共存结构。10 M酸浓度样品（S4）出现柏林石（AlPO₄）特征峰，IR证实Si-O-P键（1188 cm^-1）的形成。

3.2 物理性能优化

75°C活化使10 M样品的孔隙率降至20%（空气固化组为36.4%），体积密度提升至2.15 g/cm³。过量酸（12 M）导致粘度升高，阻碍聚合反应。

3.3 微观结构演变

SEM显示10 M样品呈现致密凝胶网络，而12 M样品出现连通孔隙。热活化促进铝硅酸盐与PO₄^3-的键合，形成连续Si-O-P-O-Si三维结构。

3.4 力学与电学性能

10 M热活化样品（S4）抗压强度达68.7 MPa，较空气固化组提升8%。电阻率随酸浓度增加而升高，12 M样品达34.7 Ω·m，归因于柏林石晶相阻碍离子迁移。

该研究创新性地阐明酸浓度与固化温度的协同作用机制：适度提高酸浓度（10 M）可促进铝溶出并与PO₄^3-形成交联网络，而过量酸（12 M）会引发相分离；75°C活化能加速缩聚反应，但需平衡水分蒸发导致的微裂纹。这些发现不仅为地质聚合物的性能定制提供量化标准，其开发的兼具高强度和绝缘特性的材料体系，在建筑加固、电子封装和核废料固化等领域展现出独特应用价值。特别是S4样品20%孔隙率与68.7 MPa强度的组合，突破了多孔材料强度-孔隙率的传统权衡关系，为开发轻量化结构功能一体化材料开辟了新途径。