氧化鋁和氧化硅多孔陶瓷冷凝成型與組織性能研究.pdf

1、多孔陶瓷作為一種重要的材料，由于其具有密度小、耐高溫、耐腐蝕、比表面積高等優(yōu)點，在工程上被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在過去幾十年，大量的技術(shù)被發(fā)展用于多孔陶瓷的制備，但由于其自身的特點，所得材料孔的性質(zhì)被限制在一定范圍內(nèi)。冷凝成型工藝，利用成型劑晶體生長與升華的制備技術(shù)，以其材料組織性能可控、環(huán)境友好等特性，為多孔陶瓷的制備提供新的途徑。
　　針對這種新型的成型技術(shù)，結(jié)合顆粒對凝固系統(tǒng)溫度與濃度場的影響，從理論上確定固-液界面的穩(wěn)定性條

2、件，并根據(jù)移動界面與顆粒之間的相互作用，獲得界面捕獲與排出顆粒的臨界速率。利用固-液界面的不穩(wěn)定及顆粒從界面排除的判定條件，采用漿料底部勻速降溫的定向凝固方式設(shè)計和制備了具有單向宏孔排列結(jié)構(gòu)的材料，并從漿料組成成分與冷凝成型技術(shù)的角度對所制備材料的組織性能進行研究。
　　實驗結(jié)果表明，在氧化鋁漿料引入甘油作為抗凍劑，冷凝成型制備的多孔陶瓷的力學(xué)性能可能被提高。通過研究不同固相含量漿料中，甘油濃度對凝固過程、陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和抗壓強度的

3、影響，認(rèn)為甘油的添加增加了漿料的粘度和燒結(jié)樣品的致密度，促進陶瓷中宏孔結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和陶瓷層間的連接。這種良好的連接使多孔陶瓷獲得高的力學(xué)性能。對于30vol.％固相含量的水-甘油基漿料而言，制備陶瓷的軸向和側(cè)向抗壓強度分別達(dá)到255.1MPa和105.8MPa。
　　除了漿料組分的改變可以對多孔陶瓷的組織性能調(diào)節(jié)外，冷凝成型技術(shù)的改進也能達(dá)到相同的目的。例如通過采用浸漬與定向凝固結(jié)合的技術(shù)制備了具有復(fù)雜三維連通孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷。在

4、這個過程中，聚氨酯海綿被浸漬于含有20vol.%氧化鋁漿料的模具內(nèi)，隨后使?jié){料底部以6℃/min的降溫速率定向凝固。經(jīng)過預(yù)制件的干燥與燒結(jié)后，具有明顯層狀結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷被獲得，其層厚與層間距分別為~9μm和~15μm。來源于海綿骨架燒蝕形成的大孔均勻分布在陶瓷樣品中，這些大孔的存在導(dǎo)致了層狀結(jié)構(gòu)的局部中斷，但所制備的多孔陶瓷仍保持高的力學(xué)性能。
　　在定向凝固過程中，電場的引入也被用于致密/多孔雙層氧化鋁陶瓷的制備。其中致密層的厚

5、度能夠通過調(diào)節(jié)電壓強度的大小進行控制，當(dāng)加載的電壓從15V增加至90V時，致密層厚度由51μm相應(yīng)地增加到155μm。而在多孔層部分，所有制備的陶瓷都表現(xiàn)出相同的、具有良好連接的層狀結(jié)構(gòu)，其層厚與層間距分別為~14μm和~24μm。
　　由于催化和吸附等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，具有等級孔系統(tǒng)的單向宏孔排列氧化硅陶瓷通過可溶性淀粉模板的礦化被原位合成。該過程由兩步所構(gòu)成，第一步采用可溶性淀粉水溶膠或水凝膠的定向冷凝制備具有單向宏孔通道的塊體

6、材料；第二步，使用制備的淀粉材料作為模板浸漬于含有表面活性劑的溶膠-凝膠溶液中，進行模板結(jié)構(gòu)的礦化。實驗結(jié)果表明，所制備可溶性淀粉材料的宏孔尺寸、壁厚及宏孔形貌可以通過調(diào)節(jié)其漿料的含量控制。當(dāng)?shù)矸鄢跏己坑?0wt.%改變?yōu)?5 wt.%時，模板材料的宏孔尺寸減小，而壁厚增加。經(jīng)過對第二步處理得到材料的干燥和煅燒后，多孔氧化硅陶瓷被獲得。這些陶瓷完整地復(fù)制了模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)，展示了狹窄的宏孔分布。就其孔徑而言，當(dāng)浸漬時間從36h增加到84