CN113896529A - 一种定向多孔陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种定向多孔陶瓷及其制备方法，涉及多孔陶瓷技术领域。主要采用的技术方案为：定向多孔陶瓷包括陶瓷基体和分布在陶瓷基体中的片状孔；其中，陶瓷基体中的片状孔大致沿同一方向排布，形成定向多孔结构；定向多孔陶瓷的孔隙率为10‑60％。上述定向多孔陶瓷的制备方法主要是以陶瓷粉体和片状石墨为原料，先通过混合粘接步骤制备出面团状混合物，然后经过叠轧、压制步骤制备出片状石墨定向排布的块状坯体，最后对块状坯体进行烧结处理步骤，得到定向多孔陶瓷。本发明主要用于实现多孔在陶瓷基体中的定向排布，以降低多孔陶瓷的导热系数、提高多孔陶瓷的压缩强度。

Description

一种定向多孔陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多孔陶瓷技术领域，特别是涉及一种定向多孔陶瓷及其制备方法。
背景技术
制备一种兼具低密度、高强度、高效隔热的多孔陶瓷是当前保温隔热材料技术领域急需解决的问题之一。由于氧化锆多孔陶瓷既具有耐高温、耐腐蚀、低热导率、高的化学稳定性，又具有高比强度、高抗热震性等特性，因而成为保温隔热材料最有希望的候选者之一。然而，在现实条件下，氧化锆多孔陶瓷同其它多孔陶瓷一样，其性能不仅和孔壁骨架的强度有关，而且和孔隙率、孔结构、孔径分布、孔排布方向也有关；要同时满足低密度、高强度、高效隔热就对其结构提出了更高的要求。
天然木材具有独特的微观定向多孔结构，主要表现为导管、筛管等多种微观空心管沿树木的生长方向择优排列；在平行于定向孔的方向上，这种特定的结构使得木材在承受自身重力的同时还能抵抗横向施加的外力，如：外物冲撞等；在垂直于定向孔的方向上，这种特定的结构通过阻碍与外界的热交换，起到良好的隔热效果。因此，木材的定向多孔结构为低密度、高强度、高效隔热多孔材料的制备提供了重要的灵感。
目前，制备多孔陶瓷的方法主要有直接发泡法、3D打印法、部分烧结法、成孔剂法、模板复制法、溶胶-凝胶法等。其中，直接发泡法的制备工艺简单、成本较低，但是气泡在热力学上是不稳定的，导致最终的孔径不均，甚至从微米尺寸到毫米尺寸。3D打印法能精确控制孔的形状、尺寸以及孔隙率，但是其制备成本高昂，样品尺寸通常较小，无法实现工业化生产。成孔剂法、模板复制法和溶胶-凝胶法在制备过程中均会用到有机物，高温下分解会产生有机物而污染环境。另外，上述几种制备多孔陶瓷的方法无法在陶瓷基体中实现孔的定向排列，无法同时满足保温隔热材料密度低、强度高、隔热性好的要求。
除了上述几种方法之外，现有一种技术公开一种氧化锆多孔陶瓷的制备方法，具体地，通过冷冻铸造的方法制备氧化锆多孔陶瓷；该方法通过浆料的粘度来调节多孔陶瓷的孔隙率和孔径大小，但是，冷冻时由于固-液界面前沿温度梯度越来越小，凝固速度越来越慢，使得制备周期无疑延长；另外，浆料在凝固过程中的粘度不变，冰晶生长速度会随着温度梯度的变小而变慢，导致结构越来越粗化，最终形成的多孔陶瓷的微观结构越来越粗。以上缺点严重限制了该方法制备氧化锆多孔陶瓷的工业化应用。
现有另一种技术公开一种多孔氧化锆陶瓷的制备方法，具体地，采用淀粉做造孔剂制备多孔氧化锆陶瓷；虽然，该技术能使多孔陶瓷的孔隙率高达80％，但是，孔的尺寸完全受限于淀粉粒径的影响，并且加入的有机添加剂需热解去除，热处理时间较长，伴有大量气体产生，污染环境；另外，虽通过球磨工艺使得淀粉和氧化锆均匀混合，但颗粒状的淀粉很难保证孔道之间相互连通、孔壁尺寸均一。
另外，上述两种现有技术制备的多孔陶瓷的微观形貌较为混乱，尤其是孔的结构，不能在陶瓷基体中实现孔的定向排列，从而达不到导热系数低、压缩强度高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种定向多孔陶瓷及其制备方法，主要目的在于实现多孔在陶瓷基体中的定向排布，以降低多孔陶瓷的导热系数、提高多孔陶瓷的压缩强度。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明的实施例提供一种定向多孔陶瓷，其中，所述定向多孔陶瓷包括陶瓷基体和分布在所述陶瓷基体中的片状孔；其中，所述陶瓷基体中的片状孔大致沿着同一方向排布，形成定向多孔结构；所述定向多孔陶瓷的孔隙率为10-60％。
优选的，所述微观片状孔的片径为2-30μm、所述微观片状孔的厚度为0.1-9μm；优选的，任意相邻的两个片状孔之间的距离为1-15μm。
优选的，所述陶瓷基体为氧化物陶瓷基体，优选为氧化锆陶瓷基体。
另一方面，本发明的实施例提供一种上述任一项所述的定向多孔陶瓷的制备方法，其包括如下步骤：
混合粘接步骤：对陶瓷粉体和片状石墨进行混合处理，得到陶瓷粉体和片状石墨的混合物；向所述陶瓷粉体和片状石墨的混合物中加入粘结剂，使陶瓷粉体和片状石墨粘接在一起，得到面团状混合物；
叠轧、压制步骤：对所述面团状混合物进行叠轧处理，使面团状混合物中的片状石墨定向排布，得到第一坯体；将所述第一坯体堆叠在一起后进行压制处理，得到片状石墨定向排布的块状坯体；所述块状坯体为第二坯体；
烧结处理步骤：对所述第二坯体进行第一次烧结处理，以将所述第二坯体中的片状石墨氧化成气态氧化物并排出，得到陶瓷坯体；对所述陶瓷坯体进行第二次烧结处理，得到定向多孔陶瓷。
优选的，在所述陶瓷粉体和片状石墨的混合物中：所述片状石墨的体积分数为10-90％。
优选的，所述片状石墨的直径为200nm-5μm、厚度为20nm-500nm。
优选的，所述陶瓷粉体为颗粒状纳米陶瓷粉体，优选的，所述陶瓷粉体的直径为30-300nm。
优选的，所述陶瓷粉体为氧化物陶瓷粉体，优选为氧化锆陶瓷粉体。
优选的，所述片状石墨选用天然鳞片石墨。
优选的，所述粘接剂选用聚乙烯醇粘接剂、羟丙基甲基纤维素粘接剂、聚乙二醇粘接剂、蔗糖粘接剂、瓜尔胶粘接剂中的一种或多种。
进一步优选的，在对陶瓷粉体和片状石墨进行混合处理时，还向其中加入了分散剂；优选的，所述分散剂选用聚丙烯酸分散剂、Darvan CN分散剂、聚乙烯亚胺分散剂、十二烷基苯磺酸钠分散剂或十二烷基硫酸钠分散剂中的一种或多种；优选的，所述分散剂的加入量为所述陶瓷粉体和片状石墨总质量的0.5-1.5％。
优选的，在所述混合粘接步骤中：
采用球磨的方式对陶瓷粉体和片状石墨进行混合处理，直至混合均匀；
向所述陶瓷粉体和片状石墨的混合物中加入粘结剂后，进行连续搅拌和反复揉练处理，得到面团状混合物。
优选的，所述叠轧、压制步骤，包括：
叠轧步骤：使所述面团状混合物经过轧辊机的两个轧辊之间进行轧制，形成轧坯，将所述轧坯折叠后，再进行轧制，重复进行多次折叠、轧制的操作，得到所述第一坯体；
压制步骤：将第一坯体切割成多个块体，然后将多个块体叠加在一起进行压制处理，得到所述第二坯体；优选的，所述压制处理的温度为80-100℃；压制处理的压力为4-6MPa；保压时间为0.5-1h。。
优选的，所述第一次烧结处理的气氛为大气气氛，所述第一次烧结处理的温度为300-800℃、所述第一次烧结处理的时间为3-8h。
优选的，所述第二次烧结处理的气氛为空气(大气)，所述第二次烧结处理的温度为1300-1800℃、所述第二次烧结处理的时间为1-5h。
与现有技术相比，本发明的一种定向多孔陶瓷及其制备方法至少具有下列有益效果：
一方面，本发明实施例提供一种定向多孔陶瓷，该定向多孔陶瓷包括陶瓷基体和分布在陶瓷基体中的片状孔；其中，陶瓷基体中的片状孔大致沿同一方向排布，形成定向多孔结构；定向多孔陶瓷的孔隙率为10-60％。优选的，片状孔的片径为2-30μm、厚度为0.1-9μm；优选的，任意相邻的两个片状孔之间的距离为1-15μm。由此可见，本发明实施例提供的定向多孔陶瓷具有与天然木材类似的微观多孔定向结构，这种结构使得定向多孔陶瓷在平行于定向方向上存在更多的孔壁支架，因而该方向具有优异的压缩强度，使得定向多孔陶瓷在垂直于定向方向上热导率更低，因而更具有隔热优势。因此，本发明实施例提供的定向多孔陶瓷具有导热系数低、压缩强度高的优点。在此需要说明的是，本发明中的术语“定向方向”指的是片状孔的排布方向。
进一步地，本发明实施例提供的定向多孔陶瓷的陶瓷基体为氧化锆陶瓷基体，由于氧化锆本身就具有热导率低的优势，约为2Wm-1K-1,再与定向多孔结构的协同作用，使得最终得到的定向多孔陶瓷的热导率更低。
另一方面，本发明实施例提供的定向多孔陶瓷的制备方法，主要是以陶瓷粉体和片状石墨为原料，先通过混合粘接步骤制备出面团状混合物，然后经过叠轧、压制步骤制备出片状石墨定向排布的块状坯体，最后对块状坯体进行烧结处理步骤，得到定向多孔陶瓷。在此，上述制备方法以简单的工艺实现了多孔的定向，制备出了多孔在陶瓷基体中定向排布的多孔陶瓷，并且原料成本低、工艺周期短、制备效率高、孔隙率可调节，还使得定向多孔陶瓷的孔壁结构整齐，对多孔材料的尺寸无限制，易于实现工业化。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种定向多孔陶瓷的制备工艺流程图；
图2是实施例1制备得到的定向多孔陶瓷的宏观结构图(参见图2中的(a)图)和微观结构图(参见图2中的(b)图)；
图3是实施例1制备得到的定向多孔陶瓷沿平行定向方向的室温压缩应力-应变曲线(参见图3中的(a)图)和垂直于定向方向的室温压缩应力-应变曲线(参见图3中的(b)图)；
图4为实施例2制备得到的定向多孔陶瓷的微观结构图；
图5为实施例3制备得到的定向多孔陶瓷的微观结构图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
一方面，本发明实施例提供一种定向多孔陶瓷，该定向多孔陶瓷包括陶瓷基体和分布在陶瓷基体中的片状孔；其中，陶瓷基体中的片状孔大致沿同一方向排布(具体参见图1、图2、图4及图5)，形成定向多孔结构。其中，定向多孔陶瓷的孔隙率为10-60％(在此的孔隙率指的是片状孔的孔隙率)。片状孔的片径为2-30μm、所述片状孔的厚度为0.1-9μm、任意相邻的两个片状孔之间的距离为1-15μm。
在此需要说明的是，本发明提出的术语“片状孔”指的是：孔的长径比(片径和厚度之比)较大的孔，使得孔大致像很扁的椭球体，片径指的是椭球体的直径(椭球的大直径)，厚度就是椭球体的高度。片状孔在较低的孔隙率下就能实现孔道之间相互连通，并且孔尺寸较为均一，有益于提高多孔陶瓷的压缩强度。另外，片状孔的定向排布可以理解成：片状孔的片径方向大致平行。
在此，陶瓷基体为氧化物陶瓷基体(如，氧化锆陶瓷基体、氧化铝陶瓷基体、氧化镁陶瓷基体等)。较佳地，本发明实施例中的陶瓷基体为氧化锆陶瓷基体。
再一方面，本发明实施例提供了上述定向多孔陶瓷的制备方法，其中，制备流程如图1所示(图1是以氧化锆陶瓷粉体为例说明)，具体包括如下步骤：
混合粘接步骤：对陶瓷粉体和片状石墨进行混合处理，得到陶瓷粉体和片状石墨的混合物；向陶瓷粉体和片状石墨的混合物中加入粘结剂，使陶瓷粉体和片状石墨粘接在一起，得到面团状混合物。
该步骤具体为：将陶瓷粉体和片状石墨混合后(优选的，混合时还加入分散剂)，然后进行球磨处理，直至两者均匀混合，然后向其中加入适量的粘结剂，进行连续机械搅拌并反复揉练，直至陶瓷粉体和片状石墨这两种粉体完全粘接在一起形成面团状混合物。
较佳地，陶瓷粉体为纳米颗粒。陶瓷粉体的直径为30-300nm。陶瓷粉体优选为氧化锆陶瓷粉体。
较佳地，片状石墨选用天然鳞片石墨。片状石墨的直径为200nm-5μm、厚度为20nm-500nm。
较佳地，球磨速度为400-500rpm，球磨时间为20-24h。
较佳地，粘接剂是聚乙烯醇粘接剂、聚乙二醇粘接剂、羟丙基甲基纤维素粘接剂、蔗糖粘接剂或瓜尔胶粘接剂中的一种或一种以上。在此需要说明的是：粘接剂的用量只需确保陶瓷粉体和片状石墨可以粘接在一起，可以进行后续的叠轧工艺即可。
较佳地，分散剂能促使片状石墨和陶瓷粉体均匀的混合，最终的孔尺寸更小，孔数量更多，孔壁更均一。优选的，该分散剂是聚丙烯酸分散剂、Darvan CN分散剂、聚乙烯亚胺分散剂、十二烷基苯磺酸钠分散剂或十二烷基硫酸钠分散剂中的一种或一种以上。较佳地，分散剂的加入量为陶瓷粉体和片状石墨的总质量的0.5-1.5％，优选为1％。
叠轧、压制步骤：对面团状混合物进行叠轧处理，使面团状混合物中的片状石墨定向排布，得到第一坯体；将第一坯体堆叠在一起后进行压制处理，得到块状的坯体，即第二坯体。
在该步骤中，叠轧步骤是采用轧辊机使面团状混合物经过两个轧辊之间以形成轧坯，在保证两轧辊间距离不变的前提下，折叠轧坯并再次轧制，重复操作此步骤。在不断叠轧过程中，轧辊施加在片状石墨上的剪切力促使片状石墨沿着轧辊的旋转方向在陶瓷基体中择优定向排列(由此可见，定向方向是沿着轧辊的旋转方向)，以产生定向效果。
在该步骤中，压制步骤是将具有定向效果的第一坯体切割成相同尺寸叠加在一起，然后进行压制处理。较佳地，压制处理的温度为80-100℃；压制处理的压力为4-6MPa；较佳地，保压时间为0.5-1h。
烧结处理步骤：对第二坯体进行第一次烧结处理，以将第二坯体中的片状石墨氧化成气态氧化物并排出，得到陶瓷坯体；对陶瓷坯体进行第二次烧结处理，得到定向多孔陶瓷。
在第一次烧结处理步骤中：气氛为空气(大气)；利用片状石墨在高温条件下发生氧化形成气体并排出以去除片石墨；其中，第一次烧结处理的温度为300-800℃，第一次烧结处理的时间为3-8h。优选的，第一次烧结处理是在箱式炉中进行。
另外，在第一次烧结处理中，还可以去除粘结剂和分散剂。
在第二次烧结处理步骤中：气氛为空气(大气)，温度为1300-1800℃、时间为1-5h。优选的，第二次烧结处理处理是在马弗炉中进行。
在此，第二次烧结处理是使得陶瓷颗粒之间相互连接，由粉体变为块体。
综上，本发明实施例提出的定向多孔陶瓷及其制备方法，通过选用片状石墨(优选为天然鳞片石墨)作为造孔剂，配合叠轧-压制工艺，实现了片状石墨在陶瓷基体中的定向，然后通过烧结步骤，使片状石墨在高温条件下发生氧化形成气体并排出以去除片状石墨，从而形成了定向多孔结构；其中，这种定向多孔结构使得定向多孔陶瓷在平行于定向方向上存在更多的孔壁支架，因而在该方向上具有优异的压缩强度。定向多孔结构的实现使得定向多孔陶瓷在垂直于定向方向上的热导率更低，因而更具有隔热优势。另外，本发明实施例选用天然鳞片石墨作为造孔剂，成本较低，实现多孔定向的方法操作简单，对设备要求低，工艺周期短，效率高，孔隙率可调节，孔壁结构整齐，且多孔材料的尺寸无限制，易于实现工业化。
另外，定向多孔陶瓷的孔隙率是由石墨的添加量决定，可通过控制石墨的添加量来控制孔隙率；石墨的添加量越多，孔隙率就越高；定向多孔陶瓷中的一个孔是由多个石墨片氧化成气体之后形成的。
此外，本发明实施例的上述方法可以实现低密度定向多孔陶瓷的制备，具体地，通过增加片状石墨的体积分数，使得孔隙率增加，在同体积条件下，孔隙率越大，密度就会越低。
下面通过具体实施例进一步对本发明进行说明如下：
实施例1
本实施例制备一种定向多孔陶瓷。其中，所用到的原材料主要有：纳米氧化锆粉体(直径约为50nm)、天然鳞片石墨(直径约为1μm，厚度约为200nm)、去离子水、羟丙基甲基纤维素。制备工艺如图1所示，制备步骤具体如下：
混合粘接步骤：分别称取64g纳米氧化锆粉体和36g天然鳞片石墨(其中，以体积百分数计，纳米氧化锆粉体的含量为40％，天然鳞片石墨的含量为60％)倒入250mL的塑料广口瓶中，向其中加入直径为3mm、6mm、12mm的镐球各6个。将广口瓶盖上瓶盖密封后，放置于滚筒式球磨机上球磨，其中，球磨速度为400rpm，球磨时间为24h。待纳米氧化锆粉体和天然鳞片石墨均匀混合后，向其中加入50mL质量分数为0.5％的羟丙基甲基纤维素水溶液(即，羟丙基甲基纤维素粘接剂)，连续机械搅拌并反复揉练，使之成为面团状混合物。
叠轧、压制步骤：采用轧辊机轧制上述面团状混合物，在保证两轧辊间距离不变的前提下，将首次轧制得到的轧坯折叠后再轧制，重复轧制-折叠-轧制30次左右，使得鳞片石墨在轧辊施加的剪切力的作用下沿轧辊的旋转方向在坯体中择优定向排列，最终得到具有定向效果的第一坯体。将第一坯体切割成相同尺寸并叠加在一起放置于钢制模具中，使用热压力机沿垂直于片的排布方向压缩坯体，得到块状坯体，即第二坯体；其中，压制处理的温度为80℃、压力为6MPa，保压时间为1h，待冷却后卸压并将第二坯体从模具中取出并干燥。
烧结处理步骤：将第二坯体放置于箱式炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至800℃，保温3h以去除片状石墨，得到陶瓷坯体。将陶瓷坯体放置于马弗炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至1550℃，保温2h，再以2℃/min的速率降至室温，得到定向多孔陶瓷。
图2是本实施例制备的定向多孔陶瓷的宏观结构图和微观结构图；其中，图2中的(a)图为宏观结构图、图2中的(b)图为微观结构图。
其中，本实施例制备的定向多孔陶瓷的特征如下：
片径为2-25μm、厚度为1-4μm的片状孔均匀分布在氧化锆基体中(在此需要说明的是：本实施例的片状孔的大小不一，大致均成片状(类似椭球体)；每一片状孔的片径大于其厚度)。并且片状孔大致沿着同一方向排布，即形成定向多孔结构；相邻孔之间的距离约为3μm。另外，定向多孔陶瓷的孔隙率为30.7％、密度为4.24g/cm3、室温下的热导率为1.04Wm- 1K-1、在平行于定向方向上的压缩强度为854±29MPa、在垂直于定向方向上的压缩强度为625±43MPa、其中，相应的应力-应变曲线如图3所示。
此外，经测试，该多孔材料在烧结后的线收缩率为26.1％(即，烧结处理步骤前后的线收缩率)。
实施例2
本实施例制备一种定向多孔陶瓷，所用的原材料与实施例1相同。制备步骤具体如下：
混合粘接步骤：分别称取80g纳米氧化锆粉体和20g天然鳞片石墨(其中，以体积百分数计，纳米氧化锆粉体的含量为60％，天然鳞片石墨的含量为40％)倒入250mL的塑料广口瓶中，向其中加入直径为3mm、6mm、12mm的镐球各6个。将广口瓶盖上瓶盖密封后，放置于滚筒式球磨机上球磨，其中，球磨速度为400rpm，球磨时间为24h。待纳米氧化锆粉体和天然鳞片石墨均匀混合后，向其中加入50mL质量分数为0.5％的羟丙基甲基纤维素水溶液(即，羟丙基甲基纤维素粘接剂)，连续机械搅拌并反复揉练，使之成为面团状混合物。
叠轧、压制步骤：采用轧辊机轧制上述面团状混合物，在保证两轧辊间距离不变的前提下，将首次轧制得到的轧坯折叠后再轧制，重复轧制-折叠-轧制30次左右，使得鳞片石墨在轧辊施加的剪切力的作用下沿轧辊的旋转方向在坯体中择优定向排列，最终得到具有定向效果的第一坯体。将第一坯体切割成相同尺寸并叠加在一起放置于钢制模具中，使用热压力机沿垂直于片的方向压缩坯体，得到第二坯体；其中，压制处理的温度为80℃、压力为6MPa，保压时间为1h，待冷却后卸压并将第二坯体从模具中取出并干燥。
烧结处理步骤：将第二坯体放置于箱式炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至800℃，保温3h以去除片状石墨，得到陶瓷坯体。将去陶瓷坯体放置于马弗炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至1550℃，保温2h，再以2℃/min的速率降至室温，得到定向多孔陶瓷。
本实施例制备的定向多孔陶瓷的微观结构如图4所示。
经测试，该多孔材料在烧结后的线收缩率为23.2％(即，烧结处理步骤前后的线收缩率)。
本实施例制备的定向多孔陶瓷的特征如下：
直径为2-25μm、厚度约为2μm的片状孔均匀分布在氧化锆基体中(在此需要说明的是：本实施例的片状孔的大小不一，大致均成片状(类似椭球体)；每一片状孔的片径大于其厚度)。并且片状孔大致沿着同一方向排布，即形成定向多孔结构；相邻孔之间的距离约为5μm。定向多孔陶瓷的孔隙率为20.3％、密度为4.85g/cm3、室温下的热导率为1.75Wm-1K-1、在平行于定向方向上的压缩强度为1164±21MPa、在垂直于定向方向上的压缩强度为888±27MPa。
实施例3
本实施例制备一种定向多孔陶瓷，所用的原材料与实施例1相同。制备步骤具体如下：
混合粘接步骤：分别称取40.5g纳米氧化锆粉体和59.5g天然鳞片石墨(其中，以体积百分数计，纳米氧化锆粉体的含量为20％，天然鳞片石墨的含量为80％)倒入250mL的塑料广口瓶中，向其中加入直径为3mm、6mm、12mm的镐球各6个。将广口瓶盖上瓶盖密封后，放置于滚筒式球磨机上球磨，其中，球磨速度为400rpm，球磨时间为24h。待纳米氧化锆粉体和天然鳞片石墨均匀混合后，向其中加入50mL质量分数为0.5％的羟丙基甲基纤维素水溶液(即，羟丙基甲基纤维素粘接剂)，连续机械搅拌并反复揉练，使之成为面团状混合物。
叠轧、压制步骤：采用轧辊机轧制上述面团状混合物，在保证两轧辊间距离不变的前提下，将首次轧制得到的轧坯折叠后再轧制，重复轧制-折叠-轧制30次左右，使得鳞片石墨在轧辊施加的剪切力的作用下沿轧辊的旋转方向在坯体中择优定向排列，最终得到具有定向效果的第一坯体。将第一坯体切割成相同尺寸并叠加在一起放置于钢制模具中，使用热压力机沿垂直于片的方向压缩坯体，得到第二坯体；其中，压制处理的温度为80℃、压力为6MPa，保压时间为1h，待冷却后卸压并将第二坯体从模具中取出并干燥。
烧结步骤：将第二坯体放置于箱式炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至800℃，保温3h以去除片状石墨，得到陶瓷坯体。将去陶瓷坯体放置于马弗炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至1550℃，保温2h，再以2℃/min的速率降至室温，得到定向多孔陶瓷。
本实施例制备的定向多孔陶瓷的微观结构如图5所示。
经测试，该多孔材料在烧结后的线收缩率为36.3％。
本实施例制备的定向多孔陶瓷的特征如下：
直径为2-25μm、厚度约为5μm的片状孔均匀分布在氧化锆基体中(在此需要说明的是：本实施例的片状孔的大小不一，大致均成片状(类似椭球体)；每一片状孔的片径大于其厚度)，并且片状孔大致沿着同一方向排布，即形成定向多孔结构；相邻孔之间的距离约为2μm。定向多孔陶瓷的孔隙率为44.2％、密度为3.59g/cm3、室温下的热导率为1.01Wm-1K-1、在平行于定向方向上的压缩强度为205±27MPa、在垂直于定向方向上的压缩强度为149±7MPa。
实施例4
本实施例制备一种定向多孔陶瓷，所用的原材料与实施例3相同。制备步骤具体如下：
混合粘接步骤：分别称取40.5g纳米氧化锆粉体和59.5g天然鳞片石墨(其中，以体积百分数计，纳米氧化锆粉体的含量为20％，天然鳞片石墨的含量为80％)倒入250mL的塑料广口瓶中，加入2gDarvan CN，采用自动搅拌机以2000rpm的速度搅拌30min后，向其中加入直径为3mm、6mm、12mm的镐球各6个。将广口瓶盖上瓶盖密封后，放置于滚筒式球磨机上球磨，其中，球磨速度为400rpm，球磨时间为24h。待纳米氧化锆粉体和天然鳞片石墨均匀混合后，向其中加入50mL质量分数为0.5％的羟丙基甲基纤维素水溶液(即，羟丙基甲基纤维素粘接剂)，连续机械搅拌并反复揉练，使之成为面团状混合物。
叠轧、压制步骤：采用轧辊机轧制上述面团状混合物，在保证两轧辊间距离不变的前提下，将首次轧制得到的轧坯折叠后再轧制，重复轧制-折叠-轧制30次左右，使得鳞片石墨在轧辊施加的剪切力的作用下沿轧辊的旋转方向在坯体中择优定向排列，最终得到具有定向效果的第一坯体。将第一坯体切割成相同尺寸并叠加在一起放置于钢制模具中，使用热压力机沿垂直于片的方向压缩坯体，得到第二坯体；其中，压制处理的温度为80℃、压力为6MPa，保压时间为1h，待冷却后卸压并将第二坯体从模具中取出并干燥。
烧结步骤：将第二坯体放置于箱式炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至800℃，保温3h以去除片状石墨，得到陶瓷坯体。将去陶瓷坯体放置于马弗炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至1550℃，保温2h，再以2℃/min的速率降至室温，得到定向多孔陶瓷。
经测试，该多孔材料在烧结后的线收缩率为34.7％。
本实施例制备的定向多孔陶瓷的特征如下：
直径为2-23μm、厚度约为5μm的片状孔均匀分布在氧化锆基体中(在此需要说明的是：本实施例的片状孔的大小不一，大致均成片状(类似椭球体)；每一片状孔的片径大于其厚度)，并且片状孔大致沿着同一方向排布，即形成定向多孔结构；相邻孔之间的距离约为2μ。定向多孔陶瓷的孔隙率为46.3％、密度为3.61g/cm3、室温下的热导率为1.06Wm-1K-1、在平行于定向方向上的压缩强度为189±13MPa、在垂直于定向方向上的压缩强度为134±5MPa。
实施例5
本实施例制备一种定向多孔陶瓷，制备步骤具体如下：
混合粘接步骤：分别称取28.5g纳米氧化铝粉体(直径约为50nm)和71.5g天然鳞片石墨(直径约为1μm，厚度约为200nm；其中，以体积百分数计，纳米氧化铝粉体的含量为20％，天然鳞片石墨的含量为80％)倒入250mL的塑料广口瓶中，向其中加入直径为3mm、6mm、12mm的镐球各6个。将广口瓶盖上瓶盖密封后，放置于滚筒式球磨机上球磨，其中，球磨速度为400rpm，球磨时间为24h。待纳米氧化铝粉体和天然鳞片石墨均匀混合后，向其中加入50mL质量分数为0.5％的羟丙基甲基纤维素水溶液(即，羟丙基甲基纤维素粘接剂)，连续机械搅拌并反复揉练，使之成为面团状混合物。
叠轧、压制步骤：采用轧辊机轧制上述面团状混合物，在保证两轧辊间距离不变的前提下，将首次轧制得到的轧坯折叠后再轧制，重复轧制-折叠-轧制30次左右，使得鳞片石墨在轧辊施加的剪切力的作用下沿轧辊的旋转方向在坯体中择优定向排列，最终得到具有定向效果的第一坯体。将第一坯体切割成相同尺寸并叠加在一起放置于钢制模具中，使用热压力机沿垂直于片的方向压缩坯体，得到第二坯体；其中，压制处理的温度为80℃、压力为6MPa，保压时间为1h，待冷却后卸压并将第二坯体从模具中取出并干燥。
烧结步骤：将第二坯体放置于箱式炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至800℃，保温3h以去除片状石墨，得到陶瓷坯体。将去陶瓷坯体放置于马弗炉中，在大气条件下，以2℃/min的速率从室温升至1500℃，保温2h，再以2℃/min的速率降至室温，得到定向多孔陶瓷。
经测试，该多孔材料在烧结后的线收缩率为32.3％。
本实施例制备的定向多孔陶瓷的特征如下：
直径为2-25μm、厚度约为6.3μm的片状孔均匀分布在氧化铝基体中(在此需要说明的是：本实施例的片状孔的大小不一，大致均成片状(类似椭球体)；每一片状孔的片径大于其厚度)，并且片状孔大致沿着同一方向排布，即形成定向多孔结构；相邻孔之间的距离约为1.8μm。定向多孔陶瓷的孔隙率为49.5％、密度为3.41g/cm3、室温下的热导率为3.06Wm- 1K-1、在平行于定向方向上的压缩强度为201±13MPa、在垂直于定向方向上的压缩强度为147±9MPa。
以上的实施例表明：本发明实施例提出的定向多孔陶瓷的制备方法实现了多孔的定向，而多孔的定向能改善多孔陶瓷的综合性能，尤其是压缩强度和热导率。另外，本发明在纳米颗粒状的陶瓷粉体中引入天然鳞片石墨做造孔剂，通过叠轧实现了多孔陶瓷的片状孔定向，从而以简单的工艺制备出孔隙率可控、压缩强度高、热导率低的定向多孔陶瓷。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种定向多孔陶瓷，其特征在于，所述定向多孔陶瓷包括陶瓷基体和分布在所述陶瓷基体中的片状孔；其中，所述陶瓷基体中的片状孔大致沿同一方向排布，形成定向多孔结构；所述定向多孔陶瓷的孔隙率为10-60％。
2.根据权利要求1所述的定向多孔陶瓷，其特征在于，所述片状孔的片径为2-30μm、所述片状孔的厚度为0.1-9μm；优选的，任意相邻的两个片状孔之间的距离为1-15μm。
3.根据权利要求1或2所述的定向多孔陶瓷，其特征在于，所述陶瓷基体为氧化物陶瓷基体，优选为氧化锆陶瓷基体。
4.权利要求1-3任一项所述的定向多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
混合粘接步骤：对陶瓷粉体和片状石墨进行混合处理，得到陶瓷粉体和片状石墨的混合物；向所述陶瓷粉体和片状石墨的混合物中加入粘结剂，使陶瓷粉体和片状石墨粘接在一起，得到面团状混合物；
叠轧、压制步骤：对所述面团状混合物进行叠轧处理，使面团状混合物中的片状石墨定向排布，得到第一坯体；将所述第一坯体堆叠在一起后进行压制处理，得到片状石墨定向排布的块状坯体；所述块状坯体为第二坯体；
烧结处理步骤：对所述第二坯体进行第一次烧结处理，以将所述第二坯体中的片状石墨氧化成气态氧化物并排出，得到陶瓷坯体；对所述陶瓷坯体进行第二次烧结处理，得到定向多孔陶瓷。
5.根据权利要求4所述的定向多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，
在所述陶瓷粉体和片状石墨的混合物中：所述片状石墨的体积分数为10-90％；和/或
所述片状石墨的直径为200nm-5μm、厚度为20nm-500nm；和/或
所述陶瓷粉体为颗粒状纳米陶瓷粉体，优选的，所述陶瓷粉体的直径为30-300nm；和/或
所述陶瓷粉体为氧化物陶瓷粉体，优选为氧化锆陶瓷粉体；和/或
所述片状石墨选用天然鳞片石墨。
6.根据权利要求4所述的定向多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，
所述粘接剂选用聚乙烯醇粘接剂、羟丙基甲基纤维素粘接剂、聚乙二醇粘接剂、蔗糖粘接剂、瓜尔胶粘接剂中的一种或多种；和/或
在对陶瓷粉体和片状石墨进行混合处理时，还向其中加入了分散剂；优选的，所述分散剂选用聚丙烯酸分散剂、Darvan CN分散剂、聚乙烯亚胺分散剂、十二烷基苯磺酸钠分散剂或十二烷基硫酸钠分散剂中的一种或多种；优选的，所述分散剂的加入量为所述陶瓷粉体和片状石墨总质量的0.5-1.5％。
7.根据权利要求4-6任一项所述的定向多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，在所述混合粘接步骤中：
采用球磨的方式对陶瓷粉体和片状石墨进行混合处理，直至混合均匀；
向所述陶瓷粉体和片状石墨的混合物中加入粘结剂后，进行搅拌、揉练处理，得到面团状混合物。
8.根据权利要求4-6任一项所述的定向多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述叠轧、压制步骤，包括：
叠轧步骤：使所述面团状混合物经过轧辊机的两个轧辊之间进行轧制，形成轧坯，将所述轧坯折叠后，再进行轧制，重复进行多次折叠、轧制的操作，得到所述第一坯体；
压制步骤：将第一坯体切割成多个块体，然后将多个块体叠加在一起进行压制处理，得到所述第二坯体；优选的，所述压制处理的温度为80-100℃；压制处理的压力为4-6MPa；保压时间为0.5-1h。
9.根据权利要求4-6任一项所述的定向多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第一次烧结处理的气氛为大气气氛，所述第一次烧结处理的温度为300-800℃、所述第一次烧结处理的时间为3-8h。
10.根据权利要求4-6任一项所述的定向多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第二次烧结处理的气氛为空气，所述第二次烧结处理的温度为1300-1800℃、所述第二次烧结处理的时间为1-5h。
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