交流电场调控氧化铝悬浮液流变学行为及其对冷冻铸造微观结构的定向影响机制

这篇研究深入探讨了交流电场（AC）对氧化铝（Al2O3）悬浮液流变学行为的调控机制及其对冷冻铸造（freeze-casting）微观结构的定向影响。通过对比实验，作者揭示了电场诱导的介电泳力（DEP）而非温度升高是导致悬浮液粘度显著增加的关键因素，并结合原位X射线成像和剪切稀化模型，阐明了从弱絮凝到强絮凝的状态转变如何分阶段影响冰晶生长和孔隙结构。研究为外场辅助陶瓷材料定向制备提供了新策略，尤其在骨移植替代物和轻量化结构领域具有应用潜力。

　　

交流电场下氧化铝悬浮液的流变学行为与冷冻铸造微观结构调控

摘要

研究通过施加交流电场（AC）揭示了Al₂O₃悬浮液粘度（η）增加的根源是介电泳力（DEP）而非电场生热。原位X射线成像捕捉到悬浮液从分散态到强絮凝态的转变过程，证实了电场持续时间对冷冻铸造微观结构从枝晶化到无定向生长的阶段性影响。

实验方法

25 vol.% Al₂O₃悬浮液经250 kHz、200 V_pp的AC电场处理3-15分钟，同步监测电极温度。通过平行板流变仪测量粘度，结合功率律模型量化剪切稀化行为（η=Kγ^n-1）。原位X射线成像动态追踪粒子聚集，冷冻铸造样品通过定向凝固和烧结制备。

结果与讨论

温度与粘度的解耦

尽管AC电场使悬浮液温度升至90°C，但直接加热实验表明温度对η影响微弱。电场处理6分钟后η显著上升（0.01 s^-1下从1 Pa·s增至50 Pa·s），证实DEP力诱导的粒子链状网络是主因。

剪切稀化与絮凝状态

功率律模型显示，高η样本的流动指数n低至0.1，表明更强的剪切稀化。弱电场（3分钟）下悬浮液保持流动性（n≈0.4），粒子以二聚体/三聚体形式弱絮凝；而强电场（15分钟）形成半固态网络（n<0.1），X射线成像显示粒子局部富集与空洞化。

冷冻铸造微观结构演化

弱絮凝态（3-9分钟）促进冰晶内粒子捕获，形成枝晶状孔隙（孔隙率~70%）；强絮凝态（12-15分钟）则阻碍冰晶定向生长，导致无规多孔结构（孔隙率降至55%）。

机制阐释

基于DLVO理论，DEP力克服粒子间能垒，驱动从次级能阱（弱絮凝）到初级能阱（强絮凝）的转变。弱絮凝时小团簇被冰晶包裹（图15B），强絮凝则形成刚性网络抑制相分离（图15C）。

结论

AC电场通过DEP力精准调控悬浮液状态，为冷冻铸造微观结构设计提供了新维度。短时电场可优化枝晶结构增强力学性能，而长时处理适用于制备各向同性多孔陶瓷。该技术有望拓展至锂离子电池电极等功能材料领域。