采用改进的SLS-CIP-RMI工艺制备的SiC陶瓷复合材料的致密化及其性能

羟基磷灰石基陶瓷通过非水沉淀法制备，以高活性多孔HAp和天然黏土为原料，系统研究HAp:黏土比例对陶瓷力学性能、孔隙结构和水激活机制的影响。75:25比例时陶瓷弯曲强度达8.97 MPa，具有最佳水渗透性，其表面与水中的CO2发生碳酸中和反应，促进离子交换和OH?浓度升高，实现超纯水向弱碱性（pH 7.5-9.0）水的转化，为水激活材料开发提供新路径。

　　

郭峰|刘天天|吴倩|潘燕|穆俊|徐彦桥|刘建民|梁健|蒋峰

景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，中国景德镇333000

摘要

本研究报道了一种采用非水沉淀法制备的具有水激活功能的羟基磷灰石（HAp）基陶瓷，其中使用了高活性多孔HAp和天然粘土作为粘合剂。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）映射、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，系统研究了HAp与粘土的比例对陶瓷的弯曲强度、水渗透性和水激活机制的影响。当HAp与粘土的比例为75:25时，制备的陶瓷样品表现出最高的弯曲强度（8.97 MPa）和良好的水渗透性。由于活性HAp与水中溶解的二氧化碳之间的表面反应，中性超纯水在通过这种HAp基陶瓷过滤后转化为弱碱性水。HAp的骨架结构促进了离子交换和碳酸盐中和，从而增加了氢氧根离子浓度并实现了水激活。本研究为开发用于水激活应用的HAp基材料提供了一种可行且具有前景的策略。

引言

活化水通常指的是通过无害的物理或化学过程获得的弱碱性、负离子化的水。由于活化水在环境修复、催化和功能水处理方面的潜在应用，其有效且稳定的材料开发受到了越来越多的关注。羟基磷灰石（HAp，Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）作为一种生物相容性陶瓷材料，因其独特的晶体结构、丰富的表面活性位点和离子交换能力而受到广泛研究[1],[2],[3]。然而，传统HAp基材料的固有水激活能力有限，这限制了它们在该领域的实际应用[4]。因此，开发具有高水激活能力的HAp基陶瓷材料已成为材料科学的研究热点。

HAp表现出优异的表面反应性和吸附能力，这些特性已在生物医学和环境应用中得到广泛应用[5],[6],[7],[8],[9],[10]。这些特性表明HAp也有望通过表面反应和离子交换过程调节水的化学性质。弱碱性水（pH 7.5-9.0）通常通过矿物溶解或电化学过程产生[11],[12]。其温和的碱性和化学稳定性使其适用于各种工业应用，包括食品加工、制药和化妆品[13]。然而，基于陶瓷的材料用于直接水激活的研究却很少。

目前，HAp基材料主要通过固相法、溶胶-凝胶法、水热法和微乳液法合成[14],[15],[16],[17],[18]。尽管这些方法可以制备出形态和成分可控的HAp，但它们往往存在加工温度高、结晶度有限和孔结构不规则等缺点，这些可能会降低表面活性和离子交换效率。此前，我们报道了一种非水沉淀法，该方法能够制备出高纯度和结构均匀的各种陶瓷材料[19],[20],[21]。利用这种方法，我们成功制备了具有优异离子交换活性和明确微观结构的多孔HAp片材[22],[23]。

尽管HAp基材料在水相关应用中得到了广泛研究，但大多数以往的研究主要集中在污染物吸附和离子去除方面。例如，Predoi等人和Iconaru等人分别报道了使用改性HAp-SB、HAp-CTAB和多孔N-HAp体系从水溶液中去除Pb²⁺离子，重点关注了吸附能力、表面化学性质和抗菌性能[24],[25],[26]。这些研究表明HAp对重金属离子具有很强的亲和力；然而，这些研究主要是为了去除污染物，而不是直接调节水的化学性质。

在这项工作中，我们提出了一种新型的多孔HAp基陶瓷体系，该体系通过非水沉淀法合成的高活性多孔HAp片材与天然粘土结合而成。与以往以吸附为导向的研究不同，本研究首次展示了使用纯陶瓷材料在无需外部电刺激或化学刺激的情况下将超纯水直接转化为弱碱性水。系统研究了HAp与粘土的比例对材料机械性能、孔结构和水渗透性的影响。更重要的是，阐明了微观结构、离子交换行为和水激活性能之间的关系。

化学与材料

实验所用原料包括磷酸二钠（Na₂HPO₄，≥99%，中国国家医药集团化学试剂有限公司）、醋酸钙（Ca(CH₃COO)₂·H₂O，≥98%，中国国家医药集团化学试剂有限公司）和甘油（C₃H₈O₃，≥99%，中国国家医药集团化学试剂有限公司），所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。天然粘土在当地采购，干燥后进行筛分。

HAp与粘土比例对HAp陶瓷弯曲强度的影响

制备了HAp与粘土比例为70%–90%（每次间隔5%）的HAp基陶瓷样品进行测试。图2显示了HAp基陶瓷的弯曲强度随HAp比例的变化情况。随着HAp比例的增加，陶瓷的弯曲强度先增加后降低。这是因为粘土具有优异的塑性和粘结能力[27]，可以提高HAp浆料的成型性能。在干燥过程中，粘土颗粒

结论

利用高活性多孔HAp片材、非水沉淀法制备的HAp源以及天然粘土作为粘合剂，成功制备出了具有高水激活能力的HAp基陶瓷。结果表明，当HAp与粘土的比例为75:25时，该陶瓷的弯曲强度最高，达到8.97 MPa。优化的HAp基陶瓷还表现出良好的水渗透性。通过HAp基陶瓷过滤后，超纯水

作者贡献声明

潘燕：撰写 – 审稿与编辑、方法论、实验研究、数据分析。吴倩：撰写 – 审稿与编辑、方法论、实验研究、数据分析。穆俊：撰写 – 审稿与编辑、方法论、数据分析、概念构思。蒋峰：撰写 – 审稿与编辑、方法论、资金获取、数据分析。刘天天：撰写 – 初稿撰写、实验研究、数据分析。郭峰：

未引用参考文献

[38]。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，且对任何可能影响本文所述观点或“用于水激活的羟基磷灰石基陶瓷材料的制备与机制”手稿评审的产品、服务或公司没有任何形式的职业或其他个人利益。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52262003、52362041）；江西省自然科学基金（资助编号：20261BCE310004、20232ACB204012、20242BAB2016、20252BAC240395）；以及教育部的产教合作项目（资助编号：231101042161843）；江西省重点学科学术技术：领军人才培训计划（资助编号：20243BCE51117）的支持。