一種基于冰模板法制備多孔陶瓷的定向凝固裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種基于冰模板法制備多孔陶瓷的定向凝固裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔陶瓷由于結(jié)合了多孔材料和陶瓷材料兩者的特點(diǎn)，具有高滲透性能，且耐高溫、耐腐蝕、低熱導(dǎo)電性能以及良好的力學(xué)性能等優(yōu)異特性。目前，制備多孔陶瓷的工藝方法很多，有添加造孔劑法、有機(jī)泡沫浸漬法、溶膠-凝膠法以及仿生合成法等，但這些方法都有一定局限性，如工藝繁多、孔結(jié)構(gòu)難以控制、造成了環(huán)境污染等。冰模板法是一種工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、使用范圍廣、綠色環(huán)保的制備工藝，受到國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。采用冰模板法能制備出高度有序復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，微觀結(jié)構(gòu)可精確控制。冰模板法適用于各種固相材料，如陶瓷、金屬或聚合物。應(yīng)用范圍包括過(guò)濾器、催化劑載體、固體氧化物燃料電池、電極、陶瓷_金屬?gòu)?fù)合材料以及骨骼移植諸多方面。
[0003]漿料的凝固是冰模板法中關(guān)鍵的一步，不同凝固參數(shù)會(huì)影響孔隙結(jié)構(gòu)，因而控制冰晶的形貌和生長(zhǎng)變得尤為重要。目前采用冰模板法制備多孔陶瓷的裝置主要有單向冷凍和雙向冷凍兩種。日本的科研人員Takayuki Fukasawa在文獻(xiàn)“Synthesis of PorousCeramics with Com-plex Pore Structure by Freeze-Dry Processing，，(Journal，2001年第84期P230-232)中采用單向冷凍方式制備氧化鋁定向多孔陶瓷。法國(guó)的DevilIe在《Science》雜志上發(fā)表的文章“Freezing as a path to build comolex composites”(2006年第311期P515-518)中，將模具放在兩端制冷的冷凍設(shè)備上制備出氧化鋁多孔陶瓷，僅用溫度來(lái)控制凝固前沿生長(zhǎng)速率，其生長(zhǎng)速度受到降溫速度、熱傳遞的制約，生長(zhǎng)速度通常較慢，小于ΙΟΟμπι/s。德國(guó)的Waschkies在文獻(xiàn)“Control of Lamellae Spacing DuringFreeze Casting of Ceramics Using Double-Side Cooling as a Novel ProcessingRoute”(《Science》2009年第92期P79-84)中局部改進(jìn)了Deville的裝置，使生長(zhǎng)速度略有提高，其大于ΙΟΟμπι/s。國(guó)內(nèi)李利娟等在文獻(xiàn)“定向凝固和冷凍干燥制備定向多孔陶瓷”(中國(guó)陶瓷，2009年第12期P57-60)中，提出利用冷凍干燥工藝制備多孔陶瓷時(shí)采用單向冷凍方式。張妍在文獻(xiàn)“定向多孔HA/BT復(fù)合生物陶瓷的制備、調(diào)控及性能研究”(中南大學(xué)博士學(xué)位論文，2013年)中使用兩端冷凍方式，底部冷端溫度比頂部冷端低，制冷過(guò)程的降溫速率范圍為0.1-20°C/min。單向冷凍其模具底部由高導(dǎo)熱性的純銅制成，側(cè)面充填導(dǎo)熱性差的尼龍，將底部浸于冷凍液中，頂部敞開(kāi)，使陶瓷漿料在垂直溫度梯度作用下產(chǎn)生定向凝固。在整個(gè)冷凍過(guò)程中，底部溫度隨時(shí)間不發(fā)生變化，但頂部溫度隨時(shí)間減小使得凝固速率下降。裝置頂部直接暴露在空氣中，與外界發(fā)生熱交換而帶來(lái)溫度控制的難度。采用雙向制冷方式中底部與頂部都與漿料接觸且同時(shí)制冷，其溫度和凝固速率都隨時(shí)間均勻降低，仍然是恒定溫度梯度。但在整個(gè)冷凍過(guò)程中需要同時(shí)控制定向凝固場(chǎng)的恒定溫度梯度和冷卻溫度。以上研究都基于對(duì)溫度場(chǎng)的單一控制，且控制精度受限，如高的降溫速率達(dá)不到線性變化、低的降溫速率又平緩變化，很難控制冰晶生長(zhǎng)，多孔陶瓷的孔形態(tài)調(diào)控受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于冰模板法制備多孔陶瓷的定向凝固裝置及方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:基于冰模板法制備多孔陶瓷的定向凝固裝置，包括低溫循環(huán)機(jī)、伺服機(jī)構(gòu)、隔熱定位擋板、模具、電機(jī)、導(dǎo)熱螺旋銅管、恒溫槽、進(jìn)水管、出水管，所述低溫循環(huán)機(jī)為矩形體，前部表面為控制面板，圓筒形隔熱定位擋板位于低溫循環(huán)機(jī)上部，環(huán)形導(dǎo)熱螺旋銅管固定在隔熱定位擋板內(nèi)，導(dǎo)熱螺旋銅管一端與恒溫槽的出水端通過(guò)出水管連接，導(dǎo)熱螺旋銅管另一端與恒溫槽的進(jìn)水端通過(guò)進(jìn)水管連接，所述模具為兩端封閉的圓柱形結(jié)構(gòu)，模具位于伺服機(jī)構(gòu)下方的隔熱定位擋板內(nèi)，且導(dǎo)熱螺旋銅管沿模具周向環(huán)繞，模具與伺服機(jī)構(gòu)連接，電機(jī)安裝在伺服機(jī)構(gòu)的上部，電機(jī)輸出軸與伺服機(jī)構(gòu)連接，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制伺服機(jī)構(gòu)使模具上下移動(dòng)。
[0006]—種采用所述基于冰模板法制備多孔陶瓷的定向凝固裝置制備多孔陶瓷的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0007]步驟1.陶瓷漿料的制備:將50nm?2000nm的陶瓷粉末、基于粉末質(zhì)量lwt%的分散劑聚乙二醇和基于粉末質(zhì)量2wt%的粘結(jié)劑聚乙烯醇PVA于去離子水中混合攪拌24h，得到陶瓷楽■料；
[0008]步驟2.除氣:將制備好的陶瓷漿料裝入連接真空栗的封閉容器中進(jìn)行除氣；
[0009]步驟3.定向凝固:將除氣后的陶瓷漿料注入模具內(nèi)，然后置于定向凝固裝置中；接通電源，啟動(dòng)低溫循環(huán)機(jī)，打開(kāi)水栗冷循環(huán)，設(shè)定冷卻溫度為-40?30°C，再啟動(dòng)恒溫槽，打開(kāi)水栗熱循環(huán)，設(shè)定加熱溫度O?80°C，將導(dǎo)熱螺旋銅管和模具調(diào)至設(shè)定位置，啟動(dòng)控制電機(jī)，使伺服機(jī)構(gòu)調(diào)至設(shè)定位置，設(shè)定抽拉速率為I?3000ym/s，將模具送入定向凝固場(chǎng)，使模具從溫度梯度的熱端以設(shè)定的抽拉速率移動(dòng)至冷端，漿料完全冷凍后，伺服機(jī)構(gòu)移動(dòng)桿緩慢上升，取出模具并脫模，得到具有定向冰晶結(jié)構(gòu)的陶瓷生坯；
[0010]步驟4.冷凍干燥:將脫模后的陶瓷生坯放入真空冷凍干燥機(jī)進(jìn)行冷凍干燥，使冰晶直接升華形成孔隙；
[0011 ] 步驟5.燒結(jié):將干燥后的坯體以5°C/min的升溫速率至300?1600°C高溫?zé)Y(jié)，保溫2h，得到具有定向結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷；
[0012]步驟6.制備好的多孔陶瓷其孔隙率采用阿基米德排水法測(cè)量，采用掃描電子顯微鏡觀察顯微結(jié)構(gòu)，采用伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量壓縮強(qiáng)度。
[0013]有益效果
[0014]本發(fā)明提出的基于冰模板法制備多孔陶瓷的定向凝固裝置及方法，定向凝固裝置由伺服機(jī)構(gòu)、電機(jī)、低溫循環(huán)機(jī)、恒溫槽和模具組成;采用一端制冷、一端制熱的冷凍方式，產(chǎn)生較均勻的溫度場(chǎng)，通過(guò)電機(jī)與伺服機(jī)構(gòu)控制提供大于500ym/s的凝固速率，使產(chǎn)品獲得更佳的微觀組織，進(jìn)而具有良好的力學(xué)性能。通過(guò)調(diào)控溫度梯度和抽拉速率兩個(gè)獨(dú)立工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷漿料的凝固過(guò)程進(jìn)行控制，并且抽拉速率調(diào)控范圍較大，可從I?3000μπι/s進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)采用高速定向凝固方法產(chǎn)生的溫度場(chǎng)更加均勻，冷卻速率較快，從而形成定向生長(zhǎng)的冰晶尺寸更加均勻，得到定向結(jié)構(gòu)多孔陶瓷;并能精確控制制備的定向多孔陶瓷孔的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及孔隙率。
【附圖說(shuō)明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種基于冰模板法制備多孔陶瓷的定向凝固裝置及方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016]圖1為本發(fā)明定向凝固裝置示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例制得的多孔陶瓷試樣宏觀照片。
[0018]圖3(a)、(b)為本發(fā)明實(shí)例I制得的多孔陶瓷試樣不同倍數(shù)的電子顯微照片。
[0019]圖4(a)、(b)為本發(fā)明實(shí)例2制得的多孔陶瓷試樣不同倍數(shù)的電子顯微照片。
[0020]圖5(a)、(b)為本發(fā)明實(shí)例3制得的多孔陶瓷試樣不同倍數(shù)的電子顯微照片。
[0021]圖6(a)、(b)為本發(fā)明實(shí)例4制得的多孔陶瓷試樣不同倍數(shù)的電子顯微照片。
[0022]圖7(a)、(b)為本發(fā)明實(shí)例5制得的多孔陶瓷試樣不同倍數(shù)的電子顯微照片。
[0023]圖中:
[0024]1.低溫循環(huán)機(jī)2.導(dǎo)熱螺旋銅管3.隔熱定位擋板4.模具5.伺服機(jī)構(gòu)6.電機(jī)
7.恒溫槽8.進(jìn)水管9.出水管
【具體實(shí)施方式】
[0025]本實(shí)施例是一種基于冰模板法制備多孔陶瓷的定向凝固裝置及方法;采用冰模板法制備定向排列多孔陶瓷，其原理是將穩(wěn)定、分散良好的陶瓷漿料注入模具，然后放置在定向凝固裝置中進(jìn)行定向凝固。凝固過(guò)程中，陶瓷顆粒會(huì)被排斥到凝固界面前沿或者包裹吞噬，在陶瓷顆粒之間形成定向生長(zhǎng)的冰晶，再經(jīng)過(guò)冷凍干燥使冰晶直接升華而形成孔隙，最后高溫?zé)Y(jié)后得到多孔陶瓷。通過(guò)控制漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、凝固速率、凝固溫度、添加劑含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔陶瓷孔結(jié)構(gòu)和形貌、孔隙率的控制。
[0026]參閱圖1，定向凝固裝置由低溫循環(huán)機(jī)1、伺服機(jī)構(gòu)5、隔熱定位擋板3、模具4、電機(jī)
6、導(dǎo)熱螺旋銅管2、恒溫槽7、進(jìn)水管8、出水管9組成，低溫循環(huán)機(jī)I為矩形體，前部表面為控制面板；圓筒形隔熱定位擋板3安裝在低溫循環(huán)機(jī)I的上部;環(huán)形導(dǎo)熱螺旋銅管2固定在隔熱定位擋板3內(nèi)，導(dǎo)熱螺旋銅管2—端與恒溫槽7的出水端通過(guò)出水管9連接，導(dǎo)熱螺旋銅管2另一端與恒溫槽7的進(jìn)水端通過(guò)進(jìn)水管8連接。模具4為兩端封閉的圓筒形結(jié)構(gòu)，模具4位于伺服機(jī)構(gòu)5下方的隔熱定位擋板3內(nèi)，且導(dǎo)熱螺旋銅管2沿模具周向環(huán)繞，模具4與伺服機(jī)構(gòu)5通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)移動(dòng)桿連接，電機(jī)6安裝在伺服機(jī)構(gòu)的上部，電機(jī)6輸出軸與伺服機(jī)構(gòu)5連接，電機(jī)6運(yùn)轉(zhuǎn)控制伺服機(jī)構(gòu)使模具上下移動(dòng)。
[0027]實(shí)施例1:參閱圖2、圖3。
[0028](I)陶瓷漿料配制:分別稱(chēng)取30g的平均粒徑為200nm的氧化鋁粉末、0.3g的分散劑、0.6g的粘結(jié)劑PVA、70g的去離子水裝入攪拌容器中，充分混合攪拌24h，得到穩(wěn)定分散的漿料；
[0029](2)將陶瓷漿料裝入連接真空栗的封閉容器中進(jìn)行除氣，排除漿料在攪拌過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡；
[0030](3)將陶瓷漿料注入模具內(nèi)，然后把模具置于定向凝固裝置中，啟動(dòng)電源，然后開(kāi)啟低溫循環(huán)機(jī)，打開(kāi)水栗冷循環(huán)，設(shè)定冷卻溫度為_(kāi)30°C，再啟動(dòng)恒溫槽，打開(kāi)水栗熱循環(huán)，設(shè)定加熱溫度為80°C，將導(dǎo)熱螺旋銅管和模具調(diào)節(jié)至設(shè)定位置，啟動(dòng)控制電機(jī)，使伺服機(jī)構(gòu)調(diào)至設(shè)定位置，以20°C/cm的溫度梯度，50ym/s抽拉速率，將模具送入定向凝固場(chǎng)，使模具從溫度梯度的熱端以設(shè)定的抽拉速率移動(dòng)至冷端，漿料完全冷凍后，伺服機(jī)構(gòu)移動(dòng)桿緩慢上升，取出模具并脫模，得到具有定向冰晶結(jié)構(gòu)的氧化鋁生坯；
[0031](4)將徹底冷凍的生坯脫模后置于冷凍干燥機(jī)中24h，使冰晶直接升華從而留下孔隙；
[0032](5)最后將試樣進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，以5°C/min的升溫速率升至1550°C，保溫2h，隨爐冷卻