CN105884390B - 一种层状多孔氧化铝陶瓷孔隙结构的调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种层状多孔氧化铝陶瓷孔隙结构的调控方法，属于多孔陶瓷材料领域。向氧化铝悬浊液掺入烧结助剂纳米粉体，得到混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；将其置于聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5mm，再将容器置于金属块上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对混有烧结助剂的氧化铝悬浊液进行定向冷冻，直至该悬浊液完全结冰，将得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于‑18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到层状多孔氧化铝陶瓷坯体，烧结，制成多孔陶瓷。本发明的调控方法通过选择烧结助剂的种类和烧结温度，能够十分方便地调控多孔陶瓷的层状孔的宽度和孔壁形貌等孔隙结构特征，可满足不同领域的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种层状多孔氧化铝陶瓷孔壁形貌的调控方法，属于多孔陶瓷材料领域。
背景技术
多孔陶瓷是一种具有大量贯通及非贯通三维多孔结构的陶瓷材料，其兼具结构性和功能性于一身，能将陶瓷材料自身的优异性能(如：耐高温、耐腐蚀、耐磨损、生物相容性好、比强度高等)和气孔特性(如：密度低、热绝缘性好、比表面积高、介电常数低、渗透性好等)有效结合。目前，多孔陶瓷已作为过滤材料、保温隔热材料、人工骨材料、电极材料和催化剂载体等广泛应用于净化过滤、航空航天、生物医疗、电子器件和能源化工等诸多领域。多孔陶瓷的应用需求巨大，且使用范围仍在不断地扩大，对其性能的要求也越来越高，因而亟须大力发展新型、高性能多孔陶瓷及相关技术。
多孔陶瓷具有多种不同的制备方法。与其他制备方法相比，冰模板法不仅具有工艺简单、灵活(适用于金属、陶瓷、有机物等各种材料)、经济、环保等优点，而且具有能够制备出层状贯通孔等特点，因而广受人们关注。冰模板法是将微纳米陶瓷颗粒的水分散液定向冷冻，形成片状冰晶，利用冰晶定向生长过程中，冰晶之间产生的微米级空间的微模板效应，使陶瓷颗粒在冰模板的作用下组装成层状结构，经冷冻干燥后冰晶升华被去除，原来冰晶所占据的位置形成孔隙，随后经高温烧结，是多孔结构具有足够的强度。因而，它通常包括冷冻、干燥和烧结三个工艺过程。
孔隙结构(如孔的形貌、尺寸、分布及孔隙率等)是影响多孔陶瓷使用性能的关键因素。不同的应用要求需要不同孔隙结构的多孔陶瓷。目前，人们通常通过改变冷冻过程中的工艺参数来改变冰晶形貌，从而实现对冰模板法制备的层状多孔陶瓷孔隙结构的控制。然而，冰晶形貌很难精确控制，因而，仍无法有效地精确控制这种层状多孔陶瓷的孔隙结构。
针对上述问题，本发明提供一种通过控制冰模板法制备的层状多孔陶瓷的烧结行为来调控其孔隙结构的方法，该方法简单有效，并可在通过冷冻过程工艺参数调控多孔陶瓷孔隙结构的基础上，实现对多孔陶瓷孔隙结构进一步调控。
发明内容
本发明提供一种通过控制烧结行为，对冰模板法制备的层状多孔陶瓷的孔隙结构进行调控的方法。
一种层状多孔氧化铝陶瓷孔隙结构的调控方法，步骤如下：
1)将纳米级的氧化铝粉体倒入去离子水中，搅拌均匀，得到氧化铝含量为15～60wt％(质量百分比)的氧化铝悬浊液；
2)在步骤1)所配制的氧化铝悬浊液中掺入占氧化铝质量的0.1～5的烧结助剂纳米粉体，搅拌并经超声波分散，得到均匀的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；
3)将步骤2)得到的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液置于聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5mm，然后将聚四氟乙烯容器置于金属块上，金属块作为冷指，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对混有烧结助剂的氧化铝悬浊液进行定向冷冻，直至该悬浊液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。
4)将步骤3)得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到层状多孔氧化铝陶瓷坯体，并将得到的层状多孔氧化铝陶瓷坯体在1500～1600℃的温度下烧结2h，制成多孔陶瓷。
所述的烧结助剂为二氧化硅或二氧化钛。
所述的金属块材质优选为铜或铝。
所述的冷冻剂优选为液氮。
本发明的有益效果：本发明的调控方法通过选择烧结助剂的种类和烧结温度，能够十分方便地调控多孔陶瓷的层状孔的宽度和孔壁形貌等孔隙结构特征，可满足不同领域的应用需求。
附图说明
图1是本发明所用的装置示意图。
图2是在悬浊液中氧化铝含量为15wt％，掺加1wt％的二氧化钛和1500℃烧结的条件下制备的层状多孔氧化铝陶瓷的扫描电镜照片。层状孔的平均宽度约为40微米，层状孔壁表面具有许多较大(高度超过10微米)的凸起物。
图3是在悬浊液中氧化铝含量为15wt％，掺加3wt％的二氧化钛和1600℃烧结的条件下制备的层状多孔氧化铝陶瓷的扫描电镜照片。层状孔的平均宽度约为20微米，孔壁表面十分光滑，基本没有凸起结构。
图4是在悬浊液中氧化铝含量为15wt％，掺加1wt％的二氧化硅和1500℃烧结的条件下制备的层状多孔氧化铝陶瓷的扫描电镜照片。层状孔的平均宽度约为50微米，孔壁表面具有较大的片状凸起物。
图5是在悬浊液中氧化铝含量为15wt％，掺加3wt％的二氧化硅和1600℃烧结的条件下制备的层状多孔氧化铝陶瓷的扫描电镜照片。层状孔的平均宽度约为20微米，孔壁表面具有较大的不规则形状的凸起。
图6是在悬浊液中氧化铝含量为15wt％，不参加烧结助剂和1600℃烧结的条件下制备的层状多孔氧化铝陶瓷的扫描电镜照片。层状孔的平均宽度约为40微米，孔壁表面具有较大的片状凸起物。
图中：1盛装冷冻剂的容器；2冷冻剂；3作为冷指的金属块；4混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；5聚四氟乙烯容器。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：
1)将纳米级的氧化铝粉体倒入去离子水中，搅拌均匀，得到氧化铝含量为15wt％(质量百分比)的氧化铝悬浊液；
2)在步骤(1)所配制的氧化铝悬浊液中掺入占氧化铝质量为1wt.％的二氧化钛纳米粉体，搅拌并经超声波分散，得到均匀的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；
3)将步骤(2)得到的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对混有烧结助剂的氧化铝悬浊液进行定向冷冻，直至该悬浊液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。
所述的金属块材质优选为铜或铝；
所述的冷冻剂优选为液氮。
4)将步骤(3)得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到层状多孔氧化铝陶瓷坯体，并将得到的层状多孔氧化铝陶瓷坯体在1500℃的温度下烧结2h，制成多孔陶瓷。
实施例2：
1)将纳米级的氧化铝粉体倒入去离子水中，搅拌均匀，得到氧化铝含量为15wt％(质量百分比)的氧化铝悬浊液；
2)在步骤(1)所配制的氧化铝悬浊液中掺入占氧化铝质量为3wt.％的二氧化钛纳米粉体，搅拌并经超声波分散，得到均匀的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；
3)将步骤(2)得到的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对混有烧结助剂的氧化铝悬浊液进行定向冷冻，直至该悬浊液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。
所述的金属块材质优选为铜或铝；
所述的冷冻剂优选为液氮。
4)将步骤(3)得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到层状多孔氧化铝陶瓷坯体，并将得到的层状多孔氧化铝陶瓷坯体在1600℃的温度下烧结2h，制成多孔陶瓷。
实施例3：
1)将纳米级的氧化铝粉体倒入去离子水中，搅拌均匀，得到氧化铝含量为15wt％(质量百分比)的氧化铝悬浊液；
2)在步骤(1)所配制的氧化铝悬浊液中掺入占氧化铝质量为1wt.％的二氧化硅纳米粉体，搅拌并经超声波分散，得到均匀的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；
3)将步骤(2)得到的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对混有烧结助剂的氧化铝悬浊液进行定向冷冻，直至该悬浊液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。
所述的金属块材质优选为铜或铝；
所述的冷冻剂优选为液氮。
4)将步骤(3)得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到层状多孔氧化铝陶瓷坯体，并将得到的层状多孔氧化铝陶瓷坯体在1500℃的温度下烧结2h，制成多孔陶瓷。
实施例4：
1)将纳米级的氧化铝粉体倒入去离子水中，搅拌均匀，得到氧化铝含量为15wt％(质量百分比)的氧化铝悬浊液；
2)在步骤(1)所配制的氧化铝悬浊液中掺入占氧化铝质量为3wt.％的二氧化钛纳米粉体，搅拌并经超声波分散，得到均匀的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；
3)将步骤(2)得到的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对混有烧结助剂的氧化铝悬浊液进行定向冷冻，直至该悬浊液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。
所述的金属块材质优选为铜或铝；
所述的冷冻剂优选为液氮。
4)将步骤(3)得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到层状多孔氧化铝陶瓷坯体，并将得到的层状多孔氧化铝陶瓷坯体在1600℃的温度下烧结2h，制成多孔陶瓷。
实施例5：
1)将纳米级的氧化铝粉体倒入去离子水中，搅拌均匀，得到氧化铝含量为60wt％(质量百分比)的氧化铝悬浊液；
2)在步骤(1)所配制的氧化铝悬浊液中掺入占氧化铝质量为0.1wt.％的二氧化钛纳米粉体，搅拌并经超声波分散，得到均匀的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；
3)将步骤(2)得到的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对混有烧结助剂的氧化铝悬浊液进行定向冷冻，直至该悬浊液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。
所述的金属块材质优选为铜或铝；
所述的冷冻剂优选为液氮。
4)将步骤(3)得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到层状多孔氧化铝陶瓷坯体，并将得到的层状多孔氧化铝陶瓷坯体在1550℃的温度下烧结2h，制成多孔陶瓷。
实施例6：
1)将纳米级的氧化铝粉体倒入去离子水中，搅拌均匀，得到氧化铝含量为20wt％(质量百分比)的氧化铝悬浊液；
2)在步骤(1)所配制的氧化铝悬浊液中掺入占氧化铝质量为5wt.％的二氧化硅纳米粉体，搅拌并经超声波分散，得到均匀的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；
3)将步骤(2)得到的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液置于一个聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5毫米，然后将聚四氟乙烯容器放在一个实体的金属块(作为冷指)上，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对混有烧结助剂的氧化铝悬浊液进行定向冷冻，直至该悬浊液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块。
所述的金属块材质优选为铜或铝；
所述的冷冻剂优选为液氮。
4)将步骤(3)得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到层状多孔氧化铝陶瓷坯体，并将得到的层状多孔氧化铝陶瓷坯体在1550℃的温度下烧结2h，制成多孔陶瓷。
Claims (3)
1.一种层状多孔氧化铝陶瓷孔隙结构的调控方法，其特征在于，步骤如下：
1)将纳米级的氧化铝粉体倒入去离子水中，搅拌均匀，得到氧化铝含量为15～60wt％的氧化铝悬浊液；
2)在步骤1)所配制的氧化铝悬浊液中掺入占氧化铝质量的0.1～5％的烧结助剂纳米粉体，搅拌并经超声波分散，得到均匀的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液；烧结助剂为二氧化硅或二氧化钛；
3)将步骤2)得到的混有烧结助剂的氧化铝悬浊液置于聚四氟乙烯容器中，该容器壁厚为5mm，然后将聚四氟乙烯容器置于金属块上，金属块作为冷指，金属块的下半部浸入在冷冻剂中，通过金属块的传热对混有烧结助剂的氧化铝悬浊液进行定向冷冻，直至该悬浊液完全结冰为止，即得到含有陶瓷颗粒组装体的冰块；
4)将步骤3)得到的含陶瓷颗粒组装体的冰块置于低于-18℃，气压低于600Pa的条件下干燥、除冰，得到层状多孔氧化铝陶瓷坯体，并将得到的层状多孔氧化铝陶瓷坯体在1500～1600℃的温度下烧结2h，制成多孔陶瓷。
2.根据权利要求1所述的层状多孔氧化铝陶瓷孔隙结构的调控方法，其特征在于，所述的金属块材质为铜或铝。
3.根据权利要求1或2所述的层状多孔氧化铝陶瓷孔隙结构的调控方法，其特征在于，所述的冷冻剂为液氮。
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