CN111253172B - 一种制备多孔陶瓷材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备多孔陶瓷材料的方法，采用高能激光束作为加热源，区域熔化共晶成分的氧化物复合材料预制体，通过精确控制激光功率和抽拉速率使熔体表面张力和自身重力保持平衡，实现熔区的稳定，同时向下抽拉试样使熔区快速冷却并连续凝固，在凝固过程中，炉腔内的氧气会溶解于悬浮熔体中，因为气体在固体中的溶解度远低于液体，所以当溶解了氧气的熔体凝固时会在固液界面析出氧气气泡，气泡因为表面张力吸附于固液界面，随着定向凝固进行，吸附的气泡被禁锢在固相中形成多孔结构，获得具备高度致密和均细化结构骨架的多孔氧化物共晶复合陶瓷材料。

Description

一种制备多孔陶瓷材料的方法
技术领域
本发明涉及多孔陶瓷材料制备领域，具体是采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固方法制备高强度多孔共晶复合陶瓷材料。
背景技术
多孔陶瓷材料具有低密度、较好的高温强度、高渗透性、吸波性、优秀的抗热震性和化学稳定性，因此在高温熔融金属和气体的过滤、隔热隔音、生物支架、催化剂载体、隐身和储能材料等多个领域展现出广阔的应用前景。专利“K.Schwartzwalder andA.V.Somers,Method of Making Porous Ceramic Articles,US Pat.No.3090094,May 21,1963”首次提出了使用有机泡沫浸渍法制备多孔陶瓷，该方法工艺简单，生产成本低，便于实现工业化。然而受浸渍模板的限制，该方法无法制备小孔径闭口气孔制品，且形状受限，所制备的多孔陶瓷密度和强度不易控制。文献“Sepulveda and J.G.P.Binner,Processingof Cellular Ceramics by Foaming and In Situ Polymerisation of OrganicMonomers,J.Eur.Ceram.Soc.,19(12)(1999)2059–66”提出了一种直接发泡法，该方法可制备高孔隙率和较高强度的的多孔陶瓷，特别适合闭气孔陶瓷材料的制备，然而制备成型过程中难以严格控制发泡剂的添加量、发泡温度及发泡时间等工艺条件，容易出现大泡、坯体塌陷和孔径不均匀等现象。文献“S.Deville,E.Saiz,R.K.Nalla,A.P.Tomsia,Freezing asa path to build complex composites,Science 311(2006)515–518”介绍了一种冷冻干燥法，该方法可制备具有定向层状孔隙形貌的多孔陶瓷材料，所制备样品的孔隙结构易于控制，强度较高，但是该方法需要对试样进行真空冷冻干燥处理，再通过烧结成型，制备成本高且周期长，降低了生产效率。文献“H.Shao,Y.He,J.Fu,D.He,X.Yang,J.Xie,C.Yao,J.Ye,S.Xu,Z.Gou,3D printing magnesium-doped wollastonite/b-TCP bioceramicsscaffolds with high strength and adjustable degradation,J.Eur.Ceram.Soc.36(6)(2016)1495–1503”介绍了利用3D打印技术制备多孔陶瓷的新方法，3D打印技术因在成型方面的优势可以精确制备各种复杂外形的多孔陶瓷，非常适合用于生物支架材料，然而该方法不适合制备小尺寸孔隙的样品，而且普遍采用3D打印与烧结相结合的成型方式，制备得到的导致所制得的多孔陶瓷强度较低。
目前，多孔陶瓷传统的制备需要排除预制体中的各种添加剂，制备流程繁琐且周期普遍较长。此外，采用烧结的方法来完成材料最终的成型，陶瓷多孔结构骨架内部存在孔隙，加上残留的添加剂杂质，极大的限制了多孔陶瓷强度(0.3～109MPa)，制约了其应用范围。因此，如何简化制备流程、提高材料强度已成为目前多孔陶瓷材料领域需要解决的首要问题。激光悬浮区熔是一种利用高能激光束对金属或非金属材料进行区域熔化与无界面快速热传导自淬火激冷快速定向凝固方法，因为具有熔炼温度高、温度梯度高、凝固速率控制精度高、材料和环境适应性广泛、无需坩埚无污染等特点，该方法一直被用于快速获得组织超细化，相分布均匀、取向精度高的金属或陶瓷复合材料。在高速定向凝固的过程中，初始坯体内部的孔隙会残留在熔融区域来不及排除，同时高温熔体会溶解空气环境中的氧气，凝固时重新析出，导致最终的凝固样品包含大量的气孔，这种气孔的形成机制为制备多孔陶瓷材料提供了可能。通过此方法可以快速制备多孔陶瓷材料，无需排除添加剂和后续烧结，大大简化制备流程。此外与烧结不同的是：在制备过程中，多孔陶瓷结构的骨架是预制体悬浮区熔直接凝固后得到，无添加剂且不需接触坩埚，试样纯净不含杂质且非常致密(相对致密度99.9％)，同时具备均匀微纳米共晶结构，可大幅提升材料强度。因此，相比传统的烧结法，激光悬浮区熔技术有潜力简单、快速的制备强度更高的多孔陶瓷材料。
发明内容
为克服目前传统烧结方法制备多孔陶瓷流程复杂、制备周期长的问题，并进一步提高多孔陶瓷结构骨架致密度，细化骨架结构组织，提升材料强度，本发明提出了一种制备多孔陶瓷材料的方法。
本发明的具体过程是：
步骤一，制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体：以纯度为99.99％的Al2O3、Y2O3和ZrO2氧化物粉末为原料，按Al2O3/Y2O3/ZrO2相图的共晶点配比，得到均匀的原料粉末；将得到原料粉末模压成型，得到Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体。
制备所述Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体时，将所述原料与去离子水和聚氯乙烯混合，所述原料:去离子水:聚氯乙烯＝20:20:1，所述比例为质量比，得到混合物。将混合物置于氧化锆球磨罐中，采用行星球磨机以550r/min转速球磨5h后，置于80℃保温的干燥箱中干燥2h。对经过干燥的粉料过40目筛，得到均匀的原料粉末。
制备所述Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体时，模压成型的压力为100MPa，保压3min，得到预制体坯料。将该预制体坯料在1500℃下保温烧结2h，完成Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体的制备。
步骤二，氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固：所述预制体放入激光悬浮区熔定向凝固炉内。打开激光器，对该预制体进行加热并形成稳定悬浮熔区，所述激光功率为280～320W。启动抽拉机构，使试样棒以100～300μm/s的速率从上至下移动，实现对该预制体的连续定向凝固。得到长度为11mm、直径为3.8～4.5mm的棒状多孔Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合陶瓷材料。
在所述定向凝固过程中保持向炉腔内注入氧气和/或氮气和氩气。
在氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固时，将所述预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，使预制体垂直于水平面。在关闭所有进气口和出气口后，对激光悬浮炉的炉腔抽真空处理，待真空度高于2Pa后，通过该激光悬浮炉的第一进气口7向炉腔内注入氧气；或者通过该激光悬浮炉的两个进气口同时向炉腔内注入氧气和氮气或氩气；氧气的充气压力为5MPa，氮气和氩气的充气压力为1～5MPa。在向炉腔内注入所述氧气和/或氮气和氩气后，打开激光悬浮炉的出气口，使注入的气体不停的流过炉腔，以此控制炉腔内氧气的含量占比。
本发明采用280～320W高能激光束作为加热源，区域熔化共晶成分的氧化物复合材料预制体，通过精确控制激光功率和抽拉速率使熔体表面张力和自身重力保持平衡，实现熔区的稳定，同时以100～300μm/s的速度向下抽拉试样使熔区快速冷却并连续凝固，在凝固过程中，炉腔内的氧气会溶解于悬浮熔体中，因为气体在固体中的溶解度远低于液体，所以当溶解了氧气的熔体凝固时会在固液界面析出氧气气泡，气泡因为表面张力吸附于固液界面，随着定向凝固进行，吸附的气泡被禁锢在固相中形成多孔结构，获得具备高度致密和均细化结构骨架的多孔氧化物共晶复合陶瓷材料。
本发明提出了一种基于激光悬浮区熔定向凝固技术制备多孔氧化物共晶复合陶瓷材料的方法，该方法取得的效果显著，可以明显改善多孔陶瓷传统制备方法存在的不足，具体包括以下几点：
1)低成本、制备流程简单和周期短。传统制备方法需要利用牺牲材料或者多孔模板浸渍来实现陶瓷多孔基体的制备，随后去除牺牲材料或模板，再通过烧结多孔陶瓷骨架得到最终成品。步骤复杂，且每一个步骤都耗费大量时间(每个步骤至少需要一天甚至更久)，需要很高的原料和时间成本。本方法只包括两个主要步骤：a预制体的制备(一天)；b激光悬浮区熔定向凝固(≤10min)。此外，本方法利用熔体溶解氧气再析出的机制在定向凝固过程中连续形成多孔结构，不需要牺牲材料；采用激光加热，不需要长时间的高温烧结，节约能源。这三个特点大大缩减了原料和时间成本。
2)无污染，可制备高纯度的氧化物多孔陶瓷，应用范围更广。在传统制备方法中，陶瓷基体会与牺牲材料、浸渍模板、坩埚和模具等污染物直接接触，难以保证试样的纯度。激光悬浮区熔技术使熔体保持悬浮稳定状态时完成定向凝固，不与坩埚接触，此外不需要添加牺牲材料或者添加剂来保持多孔结构，因此可以避免试样被污染，相比传统方法，可以制备极高纯度的氧化物多孔陶瓷，能够有效拓展多孔陶瓷的应用领域，例如对材料纯度要求较高的催化和过滤领域。
3)可显著提升多孔陶瓷的强度。对于传统制备方法而言，通过牺牲材料或者模板浸渍得到的多孔陶瓷骨架初始致密度低，这导致其即使经过高温烧结后也难以达到较高的致密度，大量的晶界、夹杂和孔隙缺陷严重限制了材料的强度(0.1～109MPa，见文献：Cekdar Vakifahmetoglua,Damla Zeydanlib,Paolo Colombo,Porous polymer derivedceramics,Materi.Sci.Eng.R 106(2016):1–30)，使其难以应用在对强度要求较高的结构材料和过滤领域。本方法采用凝固的方式制备多孔陶瓷材料具有三个重要特点，1)材料由熔体直接凝固而成，因此陶瓷骨架接近完全致密，如图6和7所示为陶瓷的微观组织，未看见气孔和夹杂；2)凭借激光悬浮区熔技术极高的温度梯度和独特的共晶成分配料，陶瓷骨架具有微纳米共晶结构，如图6和7所示，大幅缩小了材料缺陷尺寸(文献：P.B.Oliete,J.I.
Figure GDA0002454877420000041
A.Larrea,et al,Ultra-high-strength nanofibrillar Al2O3-YAG-YSZeutectics.Adv.Mater.,19(2007):2313-2318.中利用激光悬浮区熔技术制备得到无气孔的Al2O3-YAG-YSZ具有纳米共晶结构，利用极快的抽拉速度成功缩小缺陷尺寸，强度显著提升至4.6GPa)；3)烧结成型利用粉末颗粒的高温粒子扩散完成试样的致密化，必然会形成大量晶界影响材料强度，而本方法通过定向连续凝固得到试样，各组元连续耦合生长，可以形成三维连续单晶网状结构，各组元相之间不存在玻璃相，是非常干净的强结合界面，再结合本方法的高纯度特性，不存在夹杂缺陷。凭借以上三个特点，相比传统制备方法，本方法制备的多孔共晶陶瓷其弯曲强度由0.3～109MPa(109MPa时气孔率为52％)显著提升至490～1080MPa(气孔率为44％)，
附图说明
图1是氧化物复合材料预制体。
图2是激光悬浮区熔制备多孔氧化物共晶自生复合陶瓷材料的示意图。
图3是激光悬浮区熔技术制备的多孔三元氧化物共晶陶瓷试样。
图4是多孔三元氧化物共晶陶瓷试样横截面宏观图。
图5是多孔三元氧化物共晶陶瓷试样纵截面宏观图。
图6是多孔三元氧化物共晶陶瓷试样横截面微观形貌。
图7是多孔三元氧化物共晶陶瓷试样纵截面微观形貌。
图8是本发明的流程图。
图中：1.激光悬浮区熔定向凝固炉外壳；2.上夹头；3.陶瓷预制体；4.悬浮熔区；5.透光镜及激光入射口；6.下夹头；7.进气口A；8.进气口B；9出气口。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备多孔氧化物共晶陶瓷的方法，其具体过程是：
步骤一，制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体：以纯度为99.99％的Al2O3、Y2O3和ZrO2氧化物粉末为原料，按Al2O3/Y2O3/ZrO2相图的共晶点配比。将所述原料与去离子水和聚氯乙烯混合，所述原料:去离子水:聚氯乙烯＝20:20:1，所述比例为质量比，得到混合物。将混合物置于氧化锆球磨罐中，采用行星球磨机以550r/min转速球磨5h后，置于80℃保温的干燥箱中干燥2h。对经过干燥的粉料过40目筛，得到均匀的原料粉末。
对得到的均匀的原料粉末模压成型。模压成型时，压力为100MPa，保压3min，将原料粉末压制为15mm×4.5mm×4.5mm的预制体坯料。将压制得到的预制体坯料在1500℃下保温烧结2h，以完全去除聚氯乙烯，得到外形尺寸为14.5mm×4mm×4mm的Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合材料的预制体。
步骤二，氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固：将得到的预制体放入激光悬浮区熔定向凝固炉内，并将该预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，使该预制体垂直于水平面。在关闭激光悬浮区熔定向凝固炉所有的进气口和出气口，对激光悬浮炉腔抽真空处理；待真空度高于2Pa后，打开所述激光悬浮区熔定向凝固炉的两个进气口，通过其中第一进气口7向激光悬浮炉腔注入氧气，氧气的充气压力为5MPa；通过第二进气口8向炉腔注入氮气，氮气充气压力为2MPa。打开出气口，使注入的氧气和氮气持续的流过炉腔，以控制炉腔内氧气的含量占比。
打开激光器，使两束相同功率的激光处于同一水平面，通过两个对称放置的透镜照射到试样上，对预制体进行加热并形成稳定悬浮熔区，激光功率为280W。启动抽拉机构，使预制体以100μm/s的速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固。
在凝固过程中，炉腔内的氧气会溶解于悬浮熔体中，因为气体在固体中的溶解度远低于液体，所以当溶解了氧气的熔体凝固时会在固液界面析出氧气气泡，气泡因为表面张力吸附于固液界面，随着定向凝固进行，吸附的气泡被禁锢在固相中形成多孔结构，最终得到长度为11mm、直径为3.8mm的棒状多孔Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合陶瓷材料。
实施例二
本实施例是一种采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备多孔氧化物共晶陶瓷的方法，其具体过程是：
步骤一，制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体：以纯度为99.99％的Al2O3、Y2O3和ZrO2氧化物粉末为原料，按Al2O3/Y2O3/ZrO2相图的共晶点配比。将所述原料与去离子水和聚氯乙烯混合，所述原料:去离子水:聚氯乙烯＝20:20:1，所述比例为质量比，得到混合物。将混合物置于氧化锆球磨罐中，采用行星球磨机以550r/min转速球磨5h后，置于80℃保温的干燥箱中干燥2h。对经过干燥的粉料过40目筛，得到均匀的原料粉末。
对得到的均匀的原料粉末模压成型。模压成型时，压力为100MPa，保压3min，将原料粉末压制为15mm×4.5mm×4.5mm的预制体坯料。将压制得到的预制体坯料在1500℃下保温烧结2h，以完全去除聚氯乙烯，得到外形尺寸为14.5mm×4mm×4mm的Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合材料的预制体。
步骤二，氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固：将得到的预制体放入激光悬浮区熔定向凝固炉内，并将该预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，使预制体垂直于水平面。关闭激光悬浮区熔定向凝固炉所有进气口和出气口。对激光悬浮炉腔抽真空处理。待真空度高于2Pa后，打开该激光悬浮区熔定向凝固炉的两个进气口，通过其中第一进气口7向激光悬浮炉腔注入氧气，氧气的充气压力为5MPa；通过第二进气口8向炉腔注入氮气，氮气充气压力为3MPa；打开出气口，使所述氧气和氮气持续的流过炉腔，以控制炉腔内氧气的含量占比。
打开激光器，使两束相同功率的激光处于同一水平面，通过两个对称放置的透镜照射到试样上，对试样进行加热并形成稳定悬浮熔区，所述功率为300W。启动抽拉机构，使预制体以200μm/s的速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固。在凝固过程中，炉腔内的氧气会溶解于悬浮熔体中，因为气体在固体中的溶解度远低于液体，所以当溶解了氧气的熔体凝固时会在固液界面析出氧气气泡，气泡因为表面张力吸附于固液界面，随着定向凝固进行，吸附的气泡被禁锢在固相中形成多孔结构，最终得到长度为11mm、直径为4.0mm的棒状多孔Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合陶瓷材料。
实施例三
本实施例是一种采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备多孔氧化物共晶陶瓷的方法，其具体过程是：
步骤一，制备Al2O3-YAG共晶成分的氧化物复合材料预制体：以纯度为99.99％的Al2O3、Y2O3氧化物粉末为原料，按Al2O3/Y2O3相图的共晶点配比。将所述原料与去离子水和聚氯乙烯混合，所述原料:去离子水:聚氯乙烯＝20:20:1，所述比例为质量比，得到混合物。将混合物置于氧化锆球磨罐中，采用行星球磨机以550r/min转速球磨5h后，置于80℃保温的干燥箱中干燥2h。对经过干燥的粉料过40目筛，得到均匀的原料粉末。
对得到的均匀的原料粉末模压成型。模压成型时，压力为100MPa，保压3min，将原料粉末压制为15mm×4.5mm×4.5mm的预制体坯料。将压制得到的预制体坯料在1500℃下保温烧结2h，以完全去除聚氯乙烯，得到外形尺寸为14.5mm×4mm×4mm的Al2O3-YAG氧化物共晶复合材料的预制体。
步骤二，氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固：将所述预制体放入激光悬浮区熔定向凝固炉内，并将预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，使预制体垂直于水平面。关闭激光悬浮区熔定向凝固炉所有进气口和出气口，对激光悬浮炉腔抽真空处理。待真空度高于2Pa后，打开该激光悬浮区熔定向凝固炉的第一进气口7，通过该进气口向激光悬浮炉腔注入氧气，氧气的充气压力为5MPa；打开出气口，使所述种氧气持续的流过炉腔，以控制炉腔内氧气的含量占比。
打开激光器，使两束相同功率的激光处于同一水平面，通过两个对称放置的透镜照射到试样上，对试样进行加热并形成稳定悬浮熔区，所述功率为310W。启动抽拉机构，使预制体以100μm/s的速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固。在凝固过程中，炉腔内的氧气会溶解于悬浮熔体中，因为气体在固体中的溶解度远低于液体，所以当溶解了氧气的熔体凝固时会在固液界面析出氧气气泡，气泡因为表面张力吸附于固液界面，随着定向凝固进行，吸附的气泡被禁锢在固相中形成多孔结构，最终得到长度为11mm、直径为3.8mm的棒状多孔Al2O3-YAG氧化物共晶复合陶瓷材料。
实施例四
本实施例是一种采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备多孔氧化物共晶陶瓷的方法，其具体过程是：
步骤一，制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体：以纯度为99.99％的Al2O3、Y2O3和ZrO2氧化物粉末为原料，按Al2O3/Y2O3/ZrO2相图的共晶点配比。将所述原料与去离子水和聚氯乙烯混合，所述原料:去离子水:聚氯乙烯＝20:20:1，所述比例为质量比，得到混合物。将混合物置于氧化锆球磨罐中，采用行星球磨机以550r/min转速球磨5h后，置于80℃保温的干燥箱中干燥2h。对经过干燥的粉料过40目筛，得到均匀的原料粉末。
对得到的均匀的原料粉末模压成型。模压成型时，压力为100MPa，保压3min，将原料粉末压制为15mm×4.5mm×4.5mm的预制体坯料。将压制得到的预制体坯料在1500℃下保温烧结2h，以完全去除聚氯乙烯，得到外形尺寸为14.5mm×4mm×4mm的Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合材料的预制体。
步骤二，氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固：将所述预制体放入激光悬浮区熔定向凝固炉内，并将预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，使预制体垂直于水平面。在关闭所述激光悬浮区熔定向凝固炉所有进气口和出气口。对激光悬浮炉腔抽真空处理。待真空度高于2Pa后，打开该激光悬浮区熔定向凝固炉的两个进气口，通过其中第一进气口7向激光悬浮炉腔注入氧气，氧气的充气压力为5MPa；通过第二进气口8向炉腔注入氩气，氩气的充气压力为1MPa；打开该激光悬浮区熔定向凝固炉的出气口，使所述氧气和氩气持续的流过炉腔，以控制炉腔内氧气的含量占比。
打开激光器，使两束相同功率的激光处于同一水平面，通过两个对称放置的透镜照射到试样上，对试样进行加热并形成稳定悬浮熔区，所述功率为320W。启动抽拉机构，使预制体以300μm/s的速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固。在凝固过程中，炉腔内的氧气会溶解于悬浮熔体中，因为气体在固体中的溶解度远低于液体，所以当溶解了氧气的熔体凝固时会在固液界面析出氧气气泡，气泡因为表面张力吸附于固液界面，随着定向凝固进行，吸附的气泡被禁锢在固相中形成多孔结构，最终得到长度为11mm、直径为4.5mm的棒状多孔Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合陶瓷材料。
实施例五
本实施例是一种采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术制备多孔氧化物共晶陶瓷的方法，其具体过程是：
步骤一，制备Al2O3-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体：以纯度为99.99％的Al2O3和ZrO2氧化物粉末为原料，按Al2O3/ZrO2相图的共晶点配比。将所述原料与去离子水和聚氯乙烯混合，所述原料:去离子水:聚氯乙烯＝20:20:1，所述比例为质量比，得到混合物。将混合物置于氧化锆球磨罐中，采用行星球磨机以550r/min转速球磨5h后，置于80℃保温的干燥箱中干燥2h。对经过干燥的粉料过40目筛，得到均匀的原料粉末。
对得到的均匀的原料粉末模压成型。模压成型时，压力为100MPa，保压3min，将原料粉末压制为15mm×4.5mm×4.5mm的预制体坯料。将压制得到的预制体坯料在1500℃下保温烧结2h，以完全去除聚氯乙烯，得到外形尺寸为14.5mm×4mm×4mm的Al2O3-ZrO2氧化物共晶复合材料的预制体。
步骤二，氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固：将所述预制体放入激光悬浮区熔定向凝固炉内，并将该预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，使预制体垂直于水平面。关闭激光悬浮区熔定向凝固炉所有进气口和出气口，对激光悬浮炉腔抽真空处理。待该激光悬浮区熔定向凝固炉的真空度高于2Pa后，打开所述激光悬浮区熔定向凝固炉的两个进气口，通过其中的第一进气口7向激光悬浮炉腔注入氧气，氧气的充气压力为5MPa；通过第二进气口8向炉腔注入氩气，氩气的充气压力为5MPa；打开出气口，使所述氧气和氩气持续的流过炉腔，以控制炉腔内氧气的含量占比。
打开激光器，使两束相同功率的激光处于同一水平面，通过两个对称放置的透镜照射到试样上，对试样进行加热并形成稳定悬浮熔区，所述功率为320W。启动抽拉机构，使预制体以300μm/s的速率从上至下移动，实现材料的连续定向凝固。在凝固过程中，炉腔内的氧气会溶解于悬浮熔体中，因为气体在固体中的溶解度远低于液体，所以当溶解了氧气的熔体凝固时会在固液界面析出氧气气泡，气泡因为表面张力吸附于固液界面，随着定向凝固进行，吸附的气泡被禁锢在固相中形成多孔结构，最终得到长度为11mm、直径为4.5mm的棒状多孔Al2O3-ZrO2氧化物共晶复合陶瓷材料。

Claims (4)

1.一种制备多孔陶瓷材料的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤一，制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体：以纯度为99.99％的Al2O3、Y2O3和ZrO2氧化物粉末为原料，按Al2O3/Y2O3/ZrO2相图的共晶点配比，得到均匀的原料粉末；将得到原料粉末模压成型，得到Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体；
步骤二，氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固：所述预制体放入激光悬浮区熔定向凝固炉内；打开激光器，对该预制体进行加热并形成稳定悬浮熔区，功率为280～320W；启动抽拉机构，使试样棒以300μm/s的速率从上至下移动，实现对该预制体的连续定向凝固；得到长度为11mm、直径为3.8～4.5mm的棒状多孔Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合陶瓷材料；
在所述定向凝固过程中保持向炉腔内注入纯氧气；或者由氧气和氮气组成的混合气体，或者由氧气和氩气组成的混合气体。
2.如权利要求1所述制备多孔陶瓷材料的方法，其特征在于，制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体时，将所述原料与去离子水和聚氯乙烯混合，原料:去离子水:聚氯乙烯＝20:20:1，该比例为质量比，得到混合物；将混合物置于氧化锆球磨罐中，采用行星球磨机以550r/min转速球磨5h后，置于80℃保温的干燥箱中干燥2h；对经过干燥的粉料过40目筛，得到均匀的原料粉末。
3.如权利要求1所述制备多孔陶瓷材料的方法，其特征在于，在制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体时，模压成型的压力为100MPa，保压3min，得到预制体坯料；将该预制体坯料在1500℃下保温烧结2h，完成Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体的制备。
4.如权利要求1所述制备多孔陶瓷材料的方法，其特征在于，在氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固时，将所述预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，使预制体垂直于水平面；在关闭所有进气口和出气口后，对激光悬浮炉的炉腔抽真空处理，待真空度高于2Pa后，通过该激光悬浮炉的第一进气口向炉腔内注入纯氧气；或者通过该激光悬浮炉的两个进气口同时向炉腔内注入氧气和氮气，氧气的充气压力为5MPa，氮气充气压力为1～5MPa；或者同时注入氧气和氩气，氧气的充气压力为5MPa，氩气充气压力为1～5MPa氩气；在向炉腔内注入所述纯氧气或者混合气后，打开激光悬浮炉的出气口，使注入的气体不停的流过炉腔，以此控制炉腔内氧气的含量占比。
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