CN113043422A - 一种基于先驱体转化法制备多孔陶瓷的高通量直写装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于先驱体转化法制备多孔陶瓷的高通量直写装置和方法，所述装置包括储料装置、流量控制装置、计算机控制装置、连接装置、混合装置，其中：所述储料装置为用于储存先驱体溶液；所述连接装置一端连接储料装置，另一端连接混合装置，将先驱体溶液由储料装置送入所述混合装置，所述混合装置的一端通过连接装置连接储料装置，另一端为出料口；所述流量控制装置用于分别控制输入所述储料装置中的各先驱体溶液的流量；所述计算机控制装置控制出料的位置和时间以及出料口的移动轨迹。基于该高通量直写设备的直写方法，实现了不同成分先驱体溶液的高通量方法制备，可以快速地进行先驱体、填料等对多孔陶瓷性能影响的研究。

Description

一种基于先驱体转化法制备多孔陶瓷的高通量直写装置和 方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种基于先驱体转化法制备多孔陶瓷的高通量直写装置和方法。

背景技术

高通量材料制备技术将传统的顺序迭代方法改为并行处理，可在短时间内完成大量样品的制备，正发展成为高效地获得材料成分-结构-工艺-性能关系所必需的实验工具。

直写成型是一种施加压力使流体从出料口挤出成型的增材制造方法，该方法优势是可以自由选择材料、成本低，制造周期短，可以快速制备产品。

多孔陶瓷具有很好的化学稳定性、较低的热传导率等优良特性,被广泛应用于气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、吸声减震、高级保温材料、传感器材料、生物植入材料、特种墙体材料和传感器材料等多方面。

聚合物先驱体转化法制备陶瓷是一项制备多孔陶瓷的方法，该方法涉及化学合成先驱体低聚物或聚合物、固化成型、热裂解转化为陶瓷等过程，集合了分子的可设计性、良好的工艺性、可低温陶瓷化和陶瓷材料的可加工性等众多优点。该方法中，使用不同种类、含量的聚合物先驱体或在先驱体中添加不同种类、含量的填料对产品的性能影响很大。对这些性能影响因素进行研究时，需要花费大量时间。当进行先驱体转化制备多孔陶瓷实验时引入高通量材料制备技术，可以快速的探究各种因素对多孔陶瓷性能的影响，大大节约实验时间。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于先驱体转化法制备多孔陶瓷的高通量直写装置和方法，可以快速地制备大于100种不同成分的陶瓷先驱体溶液的技术问题，以便研究先驱体种类、含量以及填料的种类、含量等对多孔陶瓷性能的影响。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明一种基于先驱体转化法高通量制备多孔陶瓷的装置，包括储料装置、流量控制装置、计算机控制装置、连接装置、混合装置，其中：所述储料装置为用于储存先驱体溶液；所述连接装置一端连接储料装置，另一端连接混合装置，将先驱体溶液由储料装置送入所述混合装置，所述混合装置的一端通过连接装置连接储料装置，另一端为出料口；所述流量控制装置用于分别控制输入所述储料装置中的各先驱体溶液的流量；

所述计算机控制装置控制出料的位置和时间以及出料口的移动轨迹。

作为上述技术方案的改进，所述储料装置包含若干组，混合装置包含若干个，任意一组储料装置包含1～3个储料罐，所述一组储料装置与一个混合装置相连。

作为上述技术方案的改进，所述储料装置可拆卸地与所述混合装置连接。

作为上述技术方案的改进，所述流量控制装置包括若干个流量控制器，一个所述流量控制器控制多个储料装置的流量，每个储料装置的流量相同。

作为上述技术方案的进一步改进，使用螺杆驱动储料装置中的先驱体溶液流出。

本发明一种基于先驱体转化法高通量制备多孔陶瓷的方法，包括如下步骤：

配制若干不同的先驱体溶液，将不同的先驱体溶液分别装入各个储料灌中，然后将含n个贯通孔的模具固定到直写设备的运动平台，启动计算机控制装置，计算机控制出料口在模具上每个孔的上方停留一定时间，将先驱体溶液充满贯通孔，然后将模具置于温度梯度场冷冻，冷冻完成后取出，进行脱模；将所得样品干燥、再进行交联、裂解即得多孔陶瓷。

在实际操作过程中，第一组储料装置的两个储料罐中分别加入含有不同含量填料1的先驱体溶液，第二组储料装置的两个储料罐中分别加入含有不同含量填料2的先驱体溶液，装料完毕后，将储料装置装回该高通量直写设备。

优选的方案，所述n≥100.

在本发明中，模具即为具有大于100个贯通孔的先驱体溶液收集板，下方由铜纸封住。制备不同形状的样品时，更换具有不同孔结构的模具即可。

优选的方案，启动计算机控制装置，计算机控制出料口在模具上每个孔的上方停留一定时间，先驱体溶液充满孔后移动到下一个孔上方，移动时改变两个储料装置流量比例，使每个孔中的先驱体溶液成分均不同。

待计算机程序运行完成后，先驱体溶液充满模具所有孔，将模具转移至温度可控的冷板之间，控制冷板温度，使先驱体溶液处在温度梯度场中，先驱体定向生长，冷冻完成后取出，进行样品脱模。

在发明中，样品干燥后置于管式炉中进行交联、裂解，先驱体转化为多孔陶瓷。

最后对多孔陶瓷进行性能检测，分析各种因素对陶瓷性能的影响上述技术方案至少具有如下优点或有益效果：

有益效果

本发明可循环高效制备出大量成分含量不断变化(或成分含量不变化)的，显著提高样品制备效率。高通量直写设备包括储料装置、流量控制装置、计算机控制装置、连接装置、混合装置，储料装置用于储放流体先驱体溶液并对先驱体溶液进行输送，流量控制装置用于控制先驱体溶液输出的流量，通过流量控制装置可精确控制先驱体溶液的输出量，两个储料装置分别由各自的流量控制装置控制，通过改变每个储料装置中的流量，可以灵活改变混合装置中先驱体溶液的配比，在混合装置中混合，获取到成分各不相同样品，基于该高通量直写设备的直写方法，实现了不同成分先驱体溶液的高通量方法制备。将这些先驱体溶液进行后续工艺处理，先驱体转化为多孔陶瓷，检测、分析多孔陶瓷性能，可以快速地进行先驱体、填料等对多孔陶瓷性能影响的研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明：

图1为本发明高通量直写设备一个实施例的结构示意图。

图2为本发明高通量直写设备的一个实物图。

图3是使用该高通量直写设备的先驱体转化法制备多孔陶瓷的工艺流程图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明的较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，从而能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接在另一个特征上。

在本发明的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个或者多个，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

此外，除非另有定义，本发明所使用的技术术语和科学术语均与所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。

本发明实施例提供的高通量直写设备包括储料装置、流量控制装置、连接装置、混合装置和计算机控制装置

其中：储料装置用于储放流体先驱体溶液并对先驱体溶液进行输送，流量控制装置用于控制先驱体溶液输出的流量，通过流量控制装置可精确控制先驱体溶液的输出量，两个储料装置分别由各自的流量控制装置控制。实施时，流量控制装置可控制螺杆旋转推进速度，从而精确控制先驱体溶液输出及连续改变进料量，螺杆旋动将先驱体溶液挤出储料装置，通过输送管路输送至混合装置，先驱体溶液在混合装置中混合，然后从出料口送出，得到材料，从而实现高通量不同成分材料的送料。

后续对基于该高通量直写设备制备出的大量先驱体溶液样品进行冷冻浇注、交联、裂解等过程，得到孔结构定向生长的多孔陶瓷。

一种使用上述的设备的先驱体转化制备多孔陶瓷的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据需要研究的内容，配制多种不同的先驱体溶液。

步骤2：将先驱体溶液装入储料装置中，如第一组两个储料装置分别加入含有不同含量填料1的先驱体溶液，第二组两个储料装置分别加入含有不同含量填料2的先驱体溶液。装料完毕后，将储料装置装回该高通量直写设备。

步骤3：将模具固定到直写设备的运动平台上。模具是具有大于100个贯通孔的先驱体溶液收集板，下方由铜纸封住。制备不同形状的样品时，更换具有不同孔结构的模具即可。

步骤4：启动计算机控制装置，计算机控制出料口在模具上每个孔的上方停留一定时间，先驱体溶液充满孔后移动到下一个孔上方，移动时改变两个储料装置流量比例，这样每个孔中的先驱体溶液成分均不同。

步骤5：计算机程序运行完成后，先驱体溶液充满模具所有孔，将模具转移至温度可控的冷板之间，控制冷板温度，使先驱体溶液处在温度梯度场中，先驱体定向生长，冷冻完成后取出，进行样品脱模。

步骤6：将样品放入冷冻干燥机中干燥，除去溶剂。然后进行管式炉中进行交联、裂解，先驱体转化为多孔陶瓷。

步骤7：对多孔陶瓷进行性能检测，分析各种因素对陶瓷性能的影响

实施例1

图1为高通量直写不同成分材料设备的一个实施例的结构示意图，参考图1，本实施例的高通量直写设备包括储料装置3、流量控制装置1、连接装置4、混合装置5和计算机控制装置，储料装置用于储存和输出流体先驱体溶液，流量控制装置精确控制先驱体溶液流量及连续改变输出量，先驱体溶液通过连接装置4进入混合装置5中，先驱体溶液在该混合装置5中混合，然后出料口流出，得到材料，可通过计算机控制装置编程，实现对该过程的自动化控制。

本实施例中，储料装置(共六个)，两个为一组，每组先驱体溶液通过连接管路连接到一个混合装置上。本实施方式中，先驱体溶液可包括各种有机、无机、高分子溶液，尤其是聚合物先驱体溶液。

流量控制装置1共两个，每组两个储料装置分别由一个流量控制装置1控制，避免每个储料装置3都需要一个流量控制装置1单独控制，从而大大简化设备。每组储料设备可以研究一个影响因素，如两个储料设备中前驱体溶液含量不同，就可以得到两个含量之间的各种前驱体含量，从而分析前驱体含量对性能的影响。

流量控制装置1是螺杆2驱动的，依靠控制螺杆2旋进速度来达到流量控制的。

混合装置有两个个入口一个出口，每组两个储料设备分别从一个入口流入，混合后由出口流出。

连接装置4是一段管路，一边连接储料装置，一边连接混合装置，可将两个储料装置流出的先驱体溶液统一输送至混合装置

储料装置3可拆卸，便于更换储料装置和先驱体溶液。

清洗时，可将储料装置拆卸下来进行清洗，清洗完再加入清洗剂并装回设备，清洗剂进入混合设备，进行混合设备的清洗。

每组两个储料装置装入成分不同的先驱体溶液，计算机控制装置用于控制每个出料口的位置、时间、移动路径等，出料口在模具上每个孔地上方停留，先驱体溶液被挤出流入孔中，先驱体溶液充满孔后移动到下一个孔上方，移动时改变两个储料装置流量比例，得到每个孔内先驱体溶液成分介于两个储料装置之间。

上述的高通量直写设备，可用于高通量成分变化材料的制备，包括使用不同先驱体、填料的样品的制备，可在短时间内完成大量样品制备、加速基于不同先驱体或填料的样品的“发现-研发-生产-应用”全过程、大大降低开发成本和节约实验时间。

实施例2

每两个储料装置为一组，组数在三组以上。增加组数可以同时探究更多对性能的影响因素，但对装置的要求更高，如需要更多储料装置、混合装置。

本实施例2中的其他设置与上述实施例一基本相同，在此不做赘述。

实施例3：

每三个储料装置为一组，组数若干。每三个储料设备为一组，可以研究三种填料不同配比时性能的变化，也可以仅改变一个储料装置的流量来研究某一个性能影响因素，还可以只同时改变两个储料装置的流量，来研究某两个因素对性能的影响。三个储料为一组时可以更加灵活的研究多种影响因素对材料性能的影响，但设备要稍复杂一些。

混合装置包括三个入口一个出口，每组三个储料装置分别从一个入口流入，混合后由出口流出。

本实施例3中的其他设置与上述实施例一或二基本相同，在此不做赘述。

应用实施例一：应用于聚碳硅烷(PCS)为先驱体，莰烯为溶液制备定向多孔碳化硅(SiC)时，先驱体含量及填料的种类和含量对多孔SiC性能的影响。在第一组中，将PCS溶于莰烯中，但两个储料装置中PCS含量不同。在第二组中，固定PCS含量，加入SiC晶须，但两个储料装置中SiC晶须添加量不同。在第三组中，固定PCS含量，加入SiC粉末，但两个储料装置中SiC粉末添加量不同。计算机控制装置控制每个出料口的位置、停留时间、移动路径，出料口在模具上每个孔的上方停留一定时间，先驱体溶液充满孔后移动到下一个孔的上方，移动时改变两个储料装置流量比例，从而获得每个孔内成分都不同的大量先驱体溶液样品，即PCS、SiC晶须、SiC粉末含量介于两个储料装置的一系列先驱体溶液。将装有这些不同成分的先驱体溶液的模具移动到温度可控的冷板之间，控制模具两端温度，先驱体在温度梯度中定向生长，脱模后进行冷冻干燥，莰烯被除去，留下具有定向孔结构的PCS，再进行交联、裂解，PCS转化为SiC，即可得到具有定向孔结构的多孔陶瓷，进行性能检测、研究，分析PCS含量及SiC晶须、SiC粉末等填料的含量等因素对多孔陶瓷性能的影响。

上述仅为本发明的较佳实施例，但本发明并不限制于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以做出多种等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于先驱体转化法制备多孔陶瓷的高通量直写装置，其特征在于：包括储料装置、流量控制装置、计算机控制装置、连接装置、混合装置，其中：所述储料装置为用于储存先驱体溶液；所述连接装置一端连接储料装置，另一端连接混合装置，将先驱体溶液由储料装置送入所述混合装置，所述混合装置的一端通过连接装置连接储料装置，另一端为出料口；所述流量控制装置用于分别控制输入所述储料装置中的各先驱体溶液的流量；所述计算机控制装置控制出料的位置和时间以及出料口的移动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种高通量直写装置，其特征在于：所述储料装置包含若干组，混合装置包含若干个，任意一组储料装置包含1～3个储料罐，所述一组储料装置与一个混合装置相连。

3.根据权利要求1所述的一种高通量直写装置，其特征在于：所述储料装置可拆卸地与所述混合装置连接。

4.根据权利要求1所述的一种高通量直写装置，其特征在于：所述流量控制装置包括若干个流量控制器，一个所述流量控制器控制多个储料装置的流量，每个储料装置的流量相同。

5.根据权利要求1所述的一种高通量直写装置，其特征在于：使用螺杆驱动储料装置中的先驱体溶液流出。

6.一种基于先驱体转化法制备多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述方法应用权利要求1-5任意一项所述的高通量直写装置，包括如下步骤：配制若干不同的先驱体溶液，将不同的先驱体溶液分别装入各个储料灌中，然后将含n个贯通孔的模具固定到直写设备的运动平台，启动计算机控制装置，计算机控制出料口在模具上每个孔的上方停留一定时间，将先驱体溶液充满贯通孔，然后将模具置于温度梯度场冷冻，冷冻完成后取出，进行脱模；将所得样品干燥、再进行交联、裂解即得多孔陶瓷。

7.根据权利要求6所述的一种基于先驱体转化法制备多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述n≥100。

8.根据权利要求6所述的一种基于先驱体转化法制备多孔陶瓷的方法，其特征在于：启动计算机控制装置，计算机控制出料口在模具上每个孔的上方停留一定时间，先驱体溶液充满孔后移动到下一个孔上方，移动时改变两个储料装置流量比例，使每个孔中的先驱体溶液成分均不同。

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