CZ2017276A3 - Metoda výroby samostatně stojících ultratenkých dutých keramických vláken využívající obětovaných šablon - Google Patents

Metoda výroby samostatně stojících ultratenkých dutých keramických vláken využívající obětovaných šablon Download PDF

Info

Publication number
CZ2017276A3
CZ2017276A3 CZ2017-276A CZ2017276A CZ2017276A3 CZ 2017276 A3 CZ2017276 A3 CZ 2017276A3 CZ 2017276 A CZ2017276 A CZ 2017276A CZ 2017276 A3 CZ2017276 A3 CZ 2017276A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
sacrificial template
sacrificial
template
fibers
fiber
Prior art date
Application number
CZ2017-276A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ307596B6 (cs
Inventor
David Salamon
Radek Gockert
Jakub RoleÄŤek
Original Assignee
Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoké Učení Technické V Brně filed Critical Vysoké Učení Technické V Brně
Priority to CZ2017-276A priority Critical patent/CZ2017276A3/cs
Priority to EP18172415.4A priority patent/EP3404003A1/en
Publication of CZ307596B6 publication Critical patent/CZ307596B6/cs
Publication of CZ2017276A3 publication Critical patent/CZ2017276A3/cs

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/62259Fibres based on titanium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/62227Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres
    • C04B35/62231Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products obtaining fibres based on oxide ceramics
    • C04B35/62268Fibres based on metal phosphorus oxides, e.g. phosphates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62844Coating fibres
    • C04B35/62847Coating fibres with oxide ceramics
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62844Coating fibres
    • C04B35/62847Coating fibres with oxide ceramics
    • C04B35/62855Refractory metal oxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62886Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents by wet chemical techniques
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62892Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents with a coating layer consisting of particles
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/628Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/62897Coatings characterised by their thickness
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3208Calcium oxide or oxide-forming salts thereof, e.g. lime
    • C04B2235/3212Calcium phosphates, e.g. hydroxyapatite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208Fibers
    • C04B2235/5216Inorganic
    • C04B2235/524Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5248Carbon, e.g. graphite
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208Fibers
    • C04B2235/5264Fibers characterised by the diameter of the fibers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5284Hollow fibers, e.g. nanotubes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6028Shaping around a core which is removed later

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)
  • Filtering Materials (AREA)

Abstract

Metoda výroby samostatně stojící struktury se znaky dutého keramického vlákna, kde se obětovaná šablona pokryje minimálně jednou vrstvou částic schopných slinování, následně se provede sušení pokryté obětované šablony, následně se provede pyrolýza obětované šablony, a následně se provede slinování zeleného tělesa do struktury dutého keramického vlákna, kde obětovaná šablona je ve formě vlákna, kde vlákno obsahuje nejméně 50 % uhlíku, a kde pyrolýza obětované šablony je ve formě úplného odstranění této šablony.

Description

Oblast techniky
Vynález se týká metody výroby samostatně stojících ultratenkých dutých keramických vláken využívající obětovanou šablonu.
Dosavadní stav techniky
Keramická vlákna se mohou stát základní součástí vysoce odolných a zároveň lehkých materiálů.
Pod termínem keramická vlákna se rozumí nekovová vlákna anorganického původu (oxidová či neoxidová) s výjimkou vláken, která byla vyrobena tuhnutím skloviny. V posledních letech je velmi složité rozlišit vlákna keramická a skleněná, jelikož keramická vlákna vyrobená pomocí nových prekurzorů nebo metodou sol/gel mohou mít amorfní strukturu a výrobní proces může zahrnovat zpracování taveniny. To znamená, že výsledná keramická vlákna mohou mít krystalickou, částečně krystalickou nebo amorfní strukturu. Pod pojmem skleněná vlákna rozumíme pouze vlákna vyrobená tuhnutím skloviny silikátových systémů. Pokud je tavenina na bázi minerálu jako například čedič, mohou být vlákna nazývána minerálními vlákny.
Výroba keramických vláken probíhá nejčastěji zvlákňováním. Toto je náročný proces, při kterém se ve většině případů používá polymemích komponent či struktur. Organické polymery jsou využívány jako aditiva při výrobě oxidové keramiky a anorganické polymery jsou používány jako prekurzory při přípravě neoxidových keramik. Metody se v zásadě dělí na přímé a nepřímé. Mezi nepřímé metody řadíme CVD (tj. Chemical Vapour Deposition) proces a tak zvaný reliktní proces, mezi přímé metody patří zvlákňování využívající různé prekurzory nebo přímo keramické částice.
Při použití CVD metody jsou keramická vlákna formována napařováním keramického materiálu na nosné vlákno. Nosné vlákno tedy následně tvoří jádro výsledného keramického vlákna. Protože nosné vlákno zůstává ve výsledném materiálu, výsledný produkt má většinou dobré mechanické vlastnosti, avšak tato vlákna jsou obtížně vyrobitelná.
V případě reliktního procesu jsou použita absorpční organická vlákna, většinou na bázi metyl celulózy, která jsou sycena solnými roztoky či sólu. Následně je organický materiál vypálen a solné roztoky či sólu se transformují na keramiku.
Metoda zvlákňování pomocí molekulárně rozptýlených prekurzorů využívá rozpustné soli, které mohou být přeměněny na keramiku v průběhu kalcinace. Sůl se rozpustí v roztoku za vzniku iontů, které jsou v roztoku rozptýlené. Po rozpuštění soli je přidán polymer pro úpravu reologických vlastností vhodných pro následný zvlákňovací proces. Jako rozpouštědla se používá většinou voda nebo roztok vody a alkoholu. V některých případech je možno přidat keramické nanočástice pro řízení výsledné struktury v průběhu vzniku keramiky. Tento proces také bývá nazýván roztokový proces.
Proces zvlákňování pomocí koloidně rozptýlených prekurzorů je velice podobný výše uvedenému zvlákňování založeném na molekulárně rozptýlených prekurzorech, v tomto případě je ovšem využíváno anorganických komponent jako keramických prekurzorů. 1 v tomto případě je využíváno polymerů pro úpravu Teologických vlastností a rozpouštědel na vodné či vodno/alkoholové bázi. Tento proces také bývá nazýván sol/gel proces.
- 1 CZ 2017 - 276 A3
U metody zvlákňování s přídavkem hrubých keramických částic jsou hrubé keramické částice přidány do solného roztoku či sólu, aby bylo dosaženo většího množství výsledné keramiky a aby se snížilo smrštění během kalcinace. V tomto případě hovoříme o suspenzním procesu.
V případě metody zvlákňování anorganických polymerů dochází k tvorbě zvlákňovacího roztoku buď přímo z anorganických polymerů (tzv. suché zvlákňování), nebo z metastabilních prekurzorů ve formě taveniny. Při použití polymerů jako prekurzorů již většinou není potřeba přidávat další polymery pro úpravu Teologických vlastností. V tomto případě hovoříme o polymemím procesu s použitím prekurzorů. Tato technologie se většinou používá pro výrobu neoxidových keramik.
Známé příklady oxidových keramických vláken jsou vlákna z oxidu hlinitého (AI2O3), mullitu (směsné oxidy AI2O3 a S1O2), YAG (tj. Yttrium Aluminum Garnet, Y3AI5O12), a oxidu zirkoničitého (ZrO2). Všechna tato vlákna mají polykrystalickou mikrostrukturu a jsou charakterizována vysokými hodnotami pevnosti v tahu a modulu pružnosti. Vzhledem k jejich oxidové povaze jsou odolné vůči oxidaci i při vysokých teplotách. Ačkoli oxidace keramických vláken obecně není problém, za vysokých teplot jsou náchylná k tečení (tzv. creep) kvůli pokluzu po hranicích zrn. V tomto ohledu jsou oxidová vlákna limitována více než vlákna na bázi SiC. Oxidová vlákna, která jsou v současné době k dispozici na trhu, jsou většinou na bázi AI2O3 nebo AI2O3 / S1O2 keramiky.
Neoxidová keramická vlákna se používají pro vysoké teploty a vykazují vysoké hodnoty pevnosti v tahu a modulu pružnosti, které jsou vyšší než v případě oxidových vláken. Vzhledem ke své struktuře, která je amorfní nebo polykrystalická, vykazují neoxidová vlákna také nižší rychlosti tečení při vysokých teplotách (creep). Aplikace neoxidových vláken je omezena jejich citlivosti k oxidaci. Čím nižší je obsah kyslíku v materiálu, ze kterého jsou vlákna vyrobena, tím vyšší je jejich odolnost proti oxidaci. Komerčně dostupná neoxidová keramická vlákna jsou založena na bázi SiC a Si-C-0 materiálů. Tyto materiály ve větší či menší míře obsahují nežádoucí kyslík, a mohou také obsahovat několik procent Ti, Zr, Al, nebo B.
Různé průmyslové procesy úspěšně používají pevnou obětovanou šablonu pro přípravu celulámí a makroporézní keramiky. Originální objev lze datovat do šedesátých let, kdy byla polymemí pěna použita jako obětovaná šablona v patentu autorů Schwartzwalder a Somers. V dnešní době je většina keramických pěn průmyslově připravována replikační metodou s pomocí obětované šablony, kdy je minimální velikost replikovaných pórů přibližně 200 mikrometrů. Toto omezení je dáno možností infiltrace polymemí pěny. Nevýhodou techniky používající polymemí pěnu jako obětovanou šablonu je tvorba trhlin během pyrolýzy (odstraňování) polymemí pěny. Odstraňování pojivá a šablony pomocí tepelného zpracování přináší změny objemu a vznikají plyny, které mohou poškodit konečnou struktura. Pro zvýšení mechanické pevnosti finálního produktu se používají různé techniky jako je například: impregnace keramickými prekurzory, infiltrace pomocí fýzikální nebo chemické depozice par, hydrotermální reakce, sol/gel chemické reakce, nebo chemické reakce s obětovanou šablonou. Přírodní vlákna byla použita jako obětovaná šablona při přípravě keramické tubulámí a porézní keramiky, avšak s určitými omezeními ohledně tvaru a možnosti kontrolovat rozměry.
Základními problémy, omezující volbu obětované šablony jsou:
- tepelná roztažnost zvolených materiálů,
- vznik spalin během procesu pyrolýzy.
Byly rovněž identifikovány tři oblasti tloušťky naneseného filmu:
- oblast nestability, kdy je nanesený povlak příliš tenký (nízká pevnost) na to, aby kompenzoval objemové změny a pnutí při vzniku spalin během procesu pyrolýzy (tepleného odstraňování). V dané oblasti dochází k destrukci tvaru vneseného pomocí obětovaných šablon,
- oblast nestability, kdy je nanesený povlak příliš tenký (nízká pevnost) na to, aby kompenzoval objemové změny a pnutí při vzniku spalin během procesu pyrolýzy. V dané oblasti dochází k
-2CZ 2017 - 276 A3 vzniku trhlin a projevují se defekty v naneseném povlaku, avšak dochází k zachování tvaru vneseného pomocí obětovaných šablon,
- oblast stability, kdy je nanesený povlak dostatečně tlustý (vysoká pevnost), aby nevznikaly trhliny, a zároveň jsou kompenzovány defekty v naneseném povlaku. Dochází k zachování tvaru vneseného pomocí obětovaných šablon. Celková mechanická stabilita soustavy roste.
Vhodné doporučené strategie založené na chování obětované šablony během pyrolýzy jsou:
- obětované šablony s velmi malou tepelnou stabilitou, která je nižší než pojivo použité k přípravě povlaku na obětované šabloně (příkladem je lidský vlas),
- obětované šablony s velmi malou tepelnou roztažností, která může být kompenzována pevností naneseného povlaku (příkladem jsou para-aramidy),
- obětované šablony s vnitřní strukturou, která dokáže eliminovat tepelnou roztažnost a vznik plynů při pyrolýze (příkladem jsou porézní a dutá vlákna připravená z polypropylenu nebo polyimidu).
Nevýhodami v současnosti používaných metod při komerční přípravě keramických vláken jsou:
- použití procesu zvlákňování a omezení, které toto přináší zejména pro přípravu dutých keramických vláken,
- nutnost použití řízené chemické reakce při přípravě vláken z polymemích prekurzorů,
- nutnost použití taveniny při přípravě ze skelných vláken,
- nutnost použití absorbujících organických vláken,
- nutnost použití depozice pomocí CVD procesu,
- použití částic pří zvlákňovacím procesu vede k abrazi a opotřebení zvlákňující aparatury,
- použití organických prekurzorů při zvlákňujícím procesu vyžaduje použití rozpouštědel.
Při přípravě dutých keramických vláken metodou obětované šablony jsou v současnosti známými nevýhodami:
- nutnost dosáhnout významné tloušťky povlaku obětované šablony ke kompenzaci teplotní roztažností a procesu pyrolýzy i v případě, že teplotní roztažnost obětované šablony je malá,
- pokud není teplotní roztažnost a vliv pyrolýzy kompenzován pevností nanesené vrstvy, je nutné změnit vnitřní design šablony tak, aby byly tyto vlivy eliminovány (například dutá a porézní vlákna),
- nutnost použití obětované šablony s malou tepelnou stabilitou a pojivá keramických částí v naneseném filmu s vyšší tepelnou stabilitou, což omezuje možnosti výběru šablony a zároveň pojivá.
Cílem vynálezu je představit šablonu a metodu pro přípravu samostatně stojících ultratenkých dutých keramických vláken, která výše uvedené nevýhody stavu techniky odstraňuje.
Podstata vynálezu
Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry metoda výroby samostatně stojící struktury se znaky dutého keramického vlákna, kde se obětovaná šablona pokryje minimálně jednou vrstvou částic schopných slinování, následně se provede sušení pokryté obětované šablony, následně se provede pyrolýza obětované šablony, a následně se provede slinování zeleného tělesa do struktury dutého keramického vlákna, kde obětovaná šablona je ve formě vlákna, kde vlákno obsahuje nejméně 50 % hmotn. uhlíku, a kde pyrolýza obětované šablony je ve formě úplného odstranění této šablony.
Ve výhodném provedení se dále provede fázová přeměna zeleného tělesa.
V jiném výhodném provedení je průměr obětované šablony 35 pm nebo 12 pm.
-3CZ 2017 - 276 A3
V jiném výhodném provedení jsou částice schopné slinování keramické částice, např. oxid titaničitý nebo hydroxyapatit.
V jiném výhodném provedení má vrstva částic schopných slinování tloušťku od 1 nm do 500 μηι.
V jiném výhodném provedení se pyrolýza a slinování provádí při teplotě 500 °C a vyšší.
Objasnění výkresů
Vynález bude dále přiblížen pomocí obrázků, kde obr. 1 představuje samostatně stojící ultratenké duté keramické vlákno s hutnou stěnou z oxidu titaničitého, vyrobené metodou podle vynálezu, obr. 2a představuje samostatně stojící duté keramické vlákno se stěnou z hydroxyapatitu ve formě sítě, vyrobené metodou podle vynálezu, obr. 2b představuje detail samostatně stojícího dutého keramického vlákna podle obr. 2a a obr. 3 představuje samostatně stojící duté keramické vlákno se stěnou z hydroxyapatitu ve formě porézní stěny, vyrobené metodou podle vynálezu.
Příklady uskutečnění vynálezu
Proces výroby samostatně stojící struktury se znaky dutého keramického vlákna podle vynálezu obsahující následující kroky:
- výběr vhodné obětované šablony,
- pokrytí obětované šablony minimálně jednou vrstvou částic schopných slinování o tloušťce vrstvy od 1 nm do 500 μηι.
- sušení pokryté obětované šablony,
- přeměna pokryté obětované šablony do struktury dutého keramického vlákna s velmi malou tloušťkou stěny pomocí pyrolýzy obětované šablony, kde typická použitá teplota je 500 °C a vyšší,
- slinování zeleného tělesa do struktury dutého keramického vlákna na teplotu vhodnou pro daný keramický materiál a požadovanou porozitu výsledné struktury.
Zelené těleso, v originálním znění green body, je těleso, které vznikne při tvarování (vytváření) v klasické keramické technologii z keramického prášku (surovinové směsi) a drží pohromadě pomocí slabých vazeb.
Výhodně se během slinovacího procesu provede fázová přeměna zeleného tělesa z důvodu změny složení vzniklého keramického materiálu. Tento krok se provede buď to během procesu slinování, nebo po něm.
Obětovaná šablona je ve formě vlákna, obsahujícího nejméně 50 % hmotn. uhlíku. Průměr vlákna je výhodně 35 μηι nebo 12 μηι. Použití této šablony nevyžaduje kompenzaci objemové změny šablony nebo vývoje plynů během pyrolýzy pomocí mechanické pevnosti naneseného povlaku. Tímto způsobem lze dosáhnout extrémně tenké tloušťky stěny připravovaných vláken.
Částice schopné slinování jsou keramické částice, např. oxid titaničitý nebo hydroxyapatit.
Pomocí představené metody je typicky možné vytvořit dutá samostatně stojící keramická vlákna s vnějším průměrem menším než 100 pm a větším než 1 pm. Tloušťkou stěny od 0,05 μηι do 49 pm. Délka vlákna není omezena. Tvar a průměr vnitřní dutiny vytvořeného vlákna odpovídá tvaru a rozměru šablony podle vynálezu. Obecně se strukturou vlákna nazývá struktura, která je spíše delší než širší. Avšak rovněž struktury s délkou srovnatelnou, nebo menší než polovina průměry mohou být prezentovanou inovací připraveny.
-4CZ 2017 - 276 A3
Obr. 1 představuje samostatně stojící strukturu se znaky dutého keramického vlákna, kde metodou povlakování namáčením byl ze suspenze obsahující částice oxidu titaničitého vytvořen souvislý povlak. Pyrolýzou obětované šablony a slinováním oxidu titaničitého došlo k vytvoření dutého keramického vlákna o tloušťce nepropustné stěny 1 pm. Vnitřní průměr dutého keramického vlákna je přibližně 9 pm.
Obr. 2 představuje samostatně stojící strukturu se znaky dutého keramického vlákna, kde metodou povlakování namáčením byl ze suspenze obsahující částice hydroxyapatitu vytvořen tenký souvislý povlak. Pyrolýzou obětované šablony, slinováním hydroxyapatitu a jeho rozkladem při teplotě 1200 °C, došlo ke vzniku sítě fosforečnanu vápenatého tvořící stěnu dutého keramického vlákna o tloušťce vzniklé sítě dominantně menší než 1 pm. Vnitřní průměr dutého keramického vlákna je přibližně 28 pm.
Obr. 3 představuje samostatně stojící strukturu se znaky dutého keramického vlákna, kde metodou povlakování namáčením byl ze suspenze obsahující částice hydroxyapatitu vytvořen tenký souvislý povlak. Pyrolýzou obětované šablony a slinováním hydroxyapatitu při teplotě 950 °C, došlo ke vzniku porézní stěny hydroxyapatitu tvořícího stěnu dutého keramického vlákna o tloušťce přibližně 1 pm. Vnitřní průměr dutého keramického vlákna je přibližně 17 pm.
Výhodami představené metody podle vynálezu jsou nízká cena přípravy a vysoká produktivita procesu, možnost připravit velmi tenké stěny dutých keramických vláken ve formě sítě, porézní stěny, nebo hutného materiálu a možnost připravit samostatně stojící struktury.
Vzniklá struktura vláken s velmi tenkými stěnami může být použita pro řadu aplikací, jako jsou výměníky tepla, membrány pro separaci tekutin, obalení jiných mikrostruktur, senzory, detektory, palivové články, zpevňující články kompozitu, a skelet pro růst tkání.

Claims (6)

1. Metoda výroby samostatně stojící struktury se znaky dutého keramického vlákna, kde se obětovaná šablona pokryje minimálně jednou vrstvou částic schopných slinování, následně se provede sušení pokryté obětované šablony, následně se provede pyrolýza obětované šablony, a následně se provede slinování zeleného tělesa do struktury dutého keramického vlákna, kde obětovaná šablona je ve formě vlákna, vyznačující se tím, že vlákno obsahuje nejméně 50 % hmotn. uhlíku, a že pyrolýza obětované šablony je ve formě úplného odstranění této šablony.
2. Metoda výroby podle nároku 1, vyznačující se tím, že se dále provede fázová přeměna zeleného tělesa.
3. Metoda výroby podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že průměr obětované šablony je 35 pm nebo 12 pm.
4. Metoda výroby podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že částice schopné slinování jsou keramické částice, například oxid titaničitý nebo hydroxyapatit.
5. Metoda výroby podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že vrstva částic schopných slinování má tloušťku od 1 nm do 500 pm.
6. Metoda výroby podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že pyrolýza a slinování se provádí při teplotě 500 °C a vyšší.
CZ2017-276A 2017-05-17 2017-05-17 Metoda výroby samostatně stojících ultratenkých dutých keramických vláken využívající obětovaných šablon CZ2017276A3 (cs)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2017-276A CZ2017276A3 (cs) 2017-05-17 2017-05-17 Metoda výroby samostatně stojících ultratenkých dutých keramických vláken využívající obětovaných šablon
EP18172415.4A EP3404003A1 (en) 2017-05-17 2018-05-15 The production method of self-supporting ultra-thin hollow ceramic fibres by the utilization of sacrificial templates

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2017-276A CZ2017276A3 (cs) 2017-05-17 2017-05-17 Metoda výroby samostatně stojících ultratenkých dutých keramických vláken využívající obětovaných šablon

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ307596B6 CZ307596B6 (cs) 2019-01-02
CZ2017276A3 true CZ2017276A3 (cs) 2019-01-02

Family

ID=62748678

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2017-276A CZ2017276A3 (cs) 2017-05-17 2017-05-17 Metoda výroby samostatně stojících ultratenkých dutých keramických vláken využívající obětovaných šablon

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3404003A1 (cs)
CZ (1) CZ2017276A3 (cs)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112661522B (zh) * 2021-01-12 2022-09-06 南京理工大学 提高模板法制得的陶瓷纤维蓬松度的方法
CN114883567B (zh) * 2022-06-30 2022-09-30 河南科隆新能源股份有限公司 一种中空管状结构锂离子电池正极材料及其制备方法和应用

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19711829C1 (de) * 1997-03-21 1998-09-03 Daimler Benz Ag Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Verbundkeramik
CZ9902046A3 (cs) * 1997-12-01 2000-10-11 Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. Kompozice karbidu křemíku zesílená karbidem křemíku
DE10148658C1 (de) * 2001-10-02 2003-02-06 Sgl Carbon Ag Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus faserverstärkten keramischen Materialien
DE10148659C1 (de) * 2001-10-02 2003-02-06 Sgl Carbon Ag Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus faserverstärkten keramischen Materialien und Verwendung dieser Hohlkörper
DE10164627C1 (de) * 2001-12-31 2003-02-06 Sgl Carbon Ag Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus faserverstärkten keramischen Materialien, Verwendung der Hohlkörper und Formkerne zur Herstellung der Hohlkörper
WO2008016292A1 (en) * 2006-08-01 2008-02-07 Hyflux Ceparation Nv Ceramic hollow fibre membrane, membrane module and method for producing the membrane
TW201335106A (zh) * 2012-02-24 2013-09-01 Lin Yi Min 一種碳纖維中空成型陶瓷材料及其製程

Also Published As

Publication number Publication date
CZ307596B6 (cs) 2019-01-02
EP3404003A1 (en) 2018-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cao et al. Preparation of porous Al2O3-ceramics by biotemplating of wood
Kouras et al. Macro-porous ceramic supports for membranes prepared from quartz sand and calcite mixtures
Zou et al. Design and fabrication of whisker hybrid ceramic membranes with narrow pore size distribution and high permeability via co-sintering process
Mizutani et al. Porous ceramics prepared by mimicking silicified wood
Kim et al. Processing and properties of glass-bonded silicon carbide membrane supports
Sun et al. 3D printing of porous SiC ceramics added with SiO2 hollow microspheres
JPH03143535A (ja) セラミックス製非対称膜及びその製造方法
Zhou et al. Preparation of a new ceramic microfiltration membrane with a separation layer of attapulgite nanofibers
CN108298947B (zh) 一种凹凸棒石陶瓷膜支撑体、制备方法以及含硼烧结助剂的用途
Zou et al. One-step co-sintering of hierarchical mullite whisker/fiber membranes with gradient pore structures for effective filtration of dust-laden gas
Bukhari et al. Effect of different heat treatments on oxidation-bonded SiC membrane for water filtration
Chen et al. Fabrication of porous fibrous alumina ceramics by direct coagulation casting combined with 3D printing
Zhou et al. Novel interface enhancement strategy enables SiC fiber membrane for high-temperature gas/solid filtration
Xu et al. Fabrication of high performance macroporous tubular silicon carbide gas filters by extrusion method
CZ2017276A3 (cs) Metoda výroby samostatně stojících ultratenkých dutých keramických vláken využívající obětovaných šablon
Sun et al. Fabrication and characterization of robust freeze-cast alumina scaffolds with dense ceramic walls and controllable pore sizes
Jiansheng et al. Preparation and characterization of Al2O3 hollow fiber membranes
Barrouk et al. Elaboration and characterization of ceramic membranes made from natural and synthetic phosphates and their application in filtration of chemical pretreated textile effluent
Jing et al. The controllable microstructure of porous Al2O3 ceramics prepared via a novel freeze casting route
CN108164282B (zh) 一种凹凸棒石复合陶瓷膜支撑体及其制备方法和应用
Ha et al. Preparation and characterization of alumina-coated silicon carbide supports
Kamyshnaya et al. Fabrication of Al2O3–ZrO2 ceramics with high porosity and strength
CN111559918B (zh) 一种微乳液结合冷冻干燥制备多孔陶瓷坯体的方法
JPS63297267A (ja) ジルコニア質複合耐火物
KR20240100306A (ko) 세라믹 다공체 제조용 슬러리 및 이를 이용한 세라믹 다공체 제조 방법