一種層狀多孔氧化鋁陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種層狀多孔氧化鋁陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法，屬于多孔陶瓷材料領(lǐng)域。向氧化鋁懸濁液摻入燒結(jié)助劑納米粉體，得到混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液；將其置于聚四氟乙烯容器中，該容器壁厚為5mm，再將容器置于金屬塊上，金屬塊的下半部浸入在冷凍劑中，通過(guò)金屬塊的傳熱對(duì)混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液進(jìn)行定向冷凍，直至該懸濁液完全結(jié)冰，將得到含有陶瓷顆粒組裝體的冰塊置于低于?18℃，氣壓低于600Pa的條件下干燥、除冰，得到層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體，燒結(jié)，制成多孔陶瓷。本發(fā)明的調(diào)控方法通過(guò)選擇燒結(jié)助劑的種類和燒結(jié)溫度，能夠十分方便地調(diào)控多孔陶瓷的層狀孔的寬度和孔壁形貌等孔隙結(jié)構(gòu)特征，可滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
【專利說(shuō)明】
一種層狀多孔氧化鋁陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種層狀多孔氧化鋁陶瓷孔壁形貌的調(diào)控方法，屬于多孔陶瓷材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 多孔陶瓷是一種具有大量貫通及非貫通三維多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，其兼具結(jié)構(gòu)性和功能性于一身，能將陶瓷材料自身的優(yōu)異性能(如:耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、生物相容性好、比強(qiáng)度高等)和氣孔特性(如:密度低、熱絕緣性好、比表面積高、介電常數(shù)低、滲透性好等)有效結(jié)合。目前，多孔陶瓷已作為過(guò)濾材料、保溫隔熱材料、人工骨材料、電極材料和催化劑載體等廣泛應(yīng)用于凈化過(guò)濾、航空航天、生物醫(yī)療、電子器件和能源化工等諸多領(lǐng)域。 多孔陶瓷的應(yīng)用需求巨大，且使用范圍仍在不斷地?cái)U(kuò)大，對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高，因而亟須大力發(fā)展新型、高性能多孔陶瓷及相關(guān)技術(shù)。
[0003] 多孔陶瓷具有多種不同的制備方法。與其他制備方法相比，冰模板法不僅具有工藝簡(jiǎn)單、靈活(適用于金屬、陶瓷、有機(jī)物等各種材料)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而且具有能夠制備出層狀貫通孔等特點(diǎn)，因而廣受人們關(guān)注。冰模板法是將微納米陶瓷顆粒的水分散液定向冷凍，形成片狀冰晶，利用冰晶定向生長(zhǎng)過(guò)程中，冰晶之間產(chǎn)生的微米級(jí)空間的微模板效應(yīng)，使陶瓷顆粒在冰模板的作用下組裝成層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)冷凍干燥后冰晶升華被去除，原來(lái)冰晶所占據(jù)的位置形成孔隙，隨后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，是多孔結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度。因而，它通常包括冷凍、干燥和燒結(jié)三個(gè)工藝過(guò)程。
[0004] 孔隙結(jié)構(gòu)(如孔的形貌、尺寸、分布及孔隙率等)是影響多孔陶瓷使用性能的關(guān)鍵因素。不同的應(yīng)用要求需要不同孔隙結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷。目前，人們通常通過(guò)改變冷凍過(guò)程中的工藝參數(shù)來(lái)改變冰晶形貌，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冰模板法制備的層狀多孔陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的控制。 然而，冰晶形貌很難精確控制，因而，仍無(wú)法有效地精確控制這種層狀多孔陶瓷的孔隙結(jié)構(gòu)。
[0005] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種通過(guò)控制冰模板法制備的層狀多孔陶瓷的燒結(jié)行為來(lái)調(diào)控其孔隙結(jié)構(gòu)的方法，該方法簡(jiǎn)單有效，并可在通過(guò)冷凍過(guò)程工藝參數(shù)調(diào)控多孔陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種通過(guò)控制燒結(jié)行為，對(duì)冰模板法制備的層狀多孔陶瓷的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控的方法。
[0007] —種層狀多孔氧化鋁陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法，步驟如下:
[0008] 1)將納米級(jí)的氧化鋁粉體倒入去離子水中，攪拌均勻，得到氧化鋁含量為15? 60wt% (質(zhì)量百分比)的氧化鋁懸濁液；
[0009] 2)在步驟1)所配制的氧化鋁懸濁液中摻入占氧化鋁質(zhì)量的0.1?5的燒結(jié)助劑納米粉體，攪拌并經(jīng)超聲波分散，得到均勻的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液；
[0010] 3)將步驟2)得到的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液置于聚四氟乙烯容器中，該容器壁厚為5mm，然后將聚四氟乙烯容器置于金屬塊上，金屬塊作為冷指，金屬塊的下半部浸入在冷凍劑中，通過(guò)金屬塊的傳熱對(duì)混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液進(jìn)行定向冷凍，直至該懸濁液完全結(jié)冰為止，即得到含有陶瓷顆粒組裝體的冰塊。
[0011] 4)將步驟3)得到的含陶瓷顆粒組裝體的冰塊置于低于_18°C，氣壓低于600Pa的條件下干燥、除冰，得到層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體，并將得到的層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體在 1500?1600 °C的溫度下燒結(jié)2h，制成多孔陶瓷。
[0012 ]所述的燒結(jié)助劑為二氧化硅或二氧化鈦。
[〇〇13]所述的金屬塊材質(zhì)優(yōu)選為銅或鋁。
[〇〇14]所述的冷凍劑優(yōu)選為液氮。
[0015] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的調(diào)控方法通過(guò)選擇燒結(jié)助劑的種類和燒結(jié)溫度，能夠十分方便地調(diào)控多孔陶瓷的層狀孔的寬度和孔壁形貌等孔隙結(jié)構(gòu)特征，可滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明所用的裝置示意圖。
[0017] 圖2是在懸濁液中氧化鋁含量為15wt%，摻加lwt%的二氧化鈦和1500°C燒結(jié)的條件下制備的層狀多孔氧化鋁陶瓷的掃描電鏡照片。層狀孔的平均寬度約為40微米，層狀孔壁表面具有許多較大(高度超過(guò)10微米)的凸起物。
[0018] 圖3是在懸濁液中氧化鋁含量為15wt%，摻加3wt%的二氧化鈦和1600°C燒結(jié)的條件下制備的層狀多孔氧化鋁陶瓷的掃描電鏡照片。層狀孔的平均寬度約為20微米，孔壁表面十分光滑，基本沒(méi)有凸起結(jié)構(gòu)。
[0019] 圖4是在懸濁液中氧化鋁含量為15wt%，摻加lwt%的二氧化硅和1500°C燒結(jié)的條件下制備的層狀多孔氧化鋁陶瓷的掃描電鏡照片。層狀孔的平均寬度約為50微米，孔壁表面具有較大的片狀凸起物。
[0020] 圖5是在懸濁液中氧化鋁含量為15wt%，摻加3wt%的二氧化硅和1600°C燒結(jié)的條件下制備的層狀多孔氧化鋁陶瓷的掃描電鏡照片。層狀孔的平均寬度約為20微米，孔壁表面具有較大的不規(guī)則形狀的凸起。
[0021] 圖6是在懸濁液中氧化鋁含量為15wt%，不參加燒結(jié)助劑和1600°C燒結(jié)的條件下制備的層狀多孔氧化鋁陶瓷的掃描電鏡照片。層狀孔的平均寬度約為40微米，孔壁表面具有較大的片狀凸起物。
[0022] 圖中:1盛裝冷凍劑的容器;2冷凍劑;3作為冷指的金屬塊;4混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液;5聚四氟乙烯容器。
【具體實(shí)施方式】
[〇〇23]以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[〇〇24] 實(shí)施例1:
[〇〇25] 1)將納米級(jí)的氧化鋁粉體倒入去離子水中，攪拌均勻，得到氧化鋁含量為15wt% (質(zhì)量百分比)的氧化鋁懸濁液；
[0026] 2)在步驟(1)所配制的氧化鋁懸濁液中摻入占氧化鋁質(zhì)量為lwt.%的二氧化鈦納
米粉體，攪拌并經(jīng)超聲波分散，得到均勻的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液；
[〇〇27] 3)將步驟(2)得到的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液置于一個(gè)聚四氟乙烯容器中，
該容器壁厚為5毫米，然后將聚四氟乙烯容器放在一個(gè)實(shí)體的金屬塊(作為冷指)上，金屬塊的下半部浸入在冷凍劑中，通過(guò)金屬塊的傳熱對(duì)混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液進(jìn)行定向冷凍，直至該懸濁液完全結(jié)冰為止，即得到含有陶瓷顆粒組裝體的冰塊。
[0028]所述的金屬塊材質(zhì)優(yōu)選為銅或鋁；
[〇〇29]所述的冷凍劑優(yōu)選為液氮。
[〇〇3〇] 4)將步驟(3)得到的含陶瓷顆粒組裝體的冰塊置于低于-18°C，氣壓低于600Pa的條件下干燥、除冰，得到層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體，并將得到的層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體在 1500°C的溫度下燒結(jié)2h，制成多孔陶瓷。
[0031] 實(shí)施例2:
[〇〇32] 1)將納米級(jí)的氧化鋁粉體倒入去離子水中，攪拌均勻，得到氧化鋁含量為15wt%
(質(zhì)量百分比)的氧化鋁懸濁液；
[〇〇33] 2)在步驟(1)所配制的氧化鋁懸濁液中摻入占氧化鋁質(zhì)量為3wt.%的二氧化鈦納
米粉體，攪拌并經(jīng)超聲波分散，得到均勻的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液；
[〇〇34] 3)將步驟(2)得到的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液置于一個(gè)聚四氟乙烯容器中，
該容器壁厚為5毫米，然后將聚四氟乙烯容器放在一個(gè)實(shí)體的金屬塊(作為冷指)上，金屬塊的下半部浸入在冷凍劑中，通過(guò)金屬塊的傳熱對(duì)混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液進(jìn)行定向冷凍，直至該懸濁液完全結(jié)冰為止，即得到含有陶瓷顆粒組裝體的冰塊。
[0035]所述的金屬塊材質(zhì)優(yōu)選為銅或鋁；
[〇〇36]所述的冷凍劑優(yōu)選為液氮。
[〇〇37] 4)將步驟(3)得到的含陶瓷顆粒組裝體的冰塊置于低于_18°C，氣壓低于600Pa的
條件下干燥、除冰，得到層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體，并將得到的層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體在 1600°C的溫度下燒結(jié)2h，制成多孔陶瓷。
[〇〇38] 實(shí)施例3:
[〇〇39] 1)將納米級(jí)的氧化鋁粉體倒入去離子水中，攪拌均勻，得到氧化鋁含量為15wt%
(質(zhì)量百分比)的氧化鋁懸濁液；
[0040] 2)在步驟(1)所配制的氧化鋁懸濁液中摻入占氧化鋁質(zhì)量為lwt.%的二氧化硅納米粉體，攪拌并經(jīng)超聲波分散，得到均勻的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液；
[0041] 3)將步驟(2)得到的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液置于一個(gè)聚四氟乙烯容器中， 該容器壁厚為5毫米，然后將聚四氟乙烯容器放在一個(gè)實(shí)體的金屬塊(作為冷指)上，金屬塊的下半部浸入在冷凍劑中，通過(guò)金屬塊的傳熱對(duì)混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液進(jìn)行定向冷凍，直至該懸濁液完全結(jié)冰為止，即得到含有陶瓷顆粒組裝體的冰塊。
[0042] 所述的金屬塊材質(zhì)優(yōu)選為銅或鋁；
[〇〇43]所述的冷凍劑優(yōu)選為液氮。
[〇〇44] 4)將步驟(3)得到的含陶瓷顆粒組裝體的冰塊置于低于_18°C，氣壓低于600Pa的
條件下干燥、除冰，得到層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體，并將得到的層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體在 1500°C的溫度下燒結(jié)2h，制成多孔陶瓷。
[0045] 實(shí)施例4:
[0046] 1)將納米級(jí)的氧化鋁粉體倒入去離子水中，攪拌均勻，得到氧化鋁含量為15wt% (質(zhì)量百分比)的氧化鋁懸濁液；
[〇〇47] 2)在步驟(1)所配制的氧化鋁懸濁液中摻入占氧化鋁質(zhì)量為3wt.%的二氧化鈦納
米粉體，攪拌并經(jīng)超聲波分散，得到均勻的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液；
[〇〇48] 3)將步驟(2)得到的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液置于一個(gè)聚四氟乙烯容器中，
該容器壁厚為5毫米，然后將聚四氟乙烯容器放在一個(gè)實(shí)體的金屬塊(作為冷指)上，金屬塊的下半部浸入在冷凍劑中，通過(guò)金屬塊的傳熱對(duì)混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液進(jìn)行定向冷凍，直至該懸濁液完全結(jié)冰為止，即得到含有陶瓷顆粒組裝體的冰塊。
[0049] 所述的金屬塊材質(zhì)優(yōu)選為銅或鋁；
[0050] 所述的冷凍劑優(yōu)選為液氮。
[0051] 4)將步驟(3)得到的含陶瓷顆粒組裝體的冰塊置于低于-18°c，氣壓低于600Pa的條件下干燥、除冰，得到層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體，并將得到的層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體在 1600°C的溫度下燒結(jié)2h，制成多孔陶瓷。
[〇〇52] 實(shí)施例5:
[〇〇53] 1)將納米級(jí)的氧化鋁粉體倒入去離子水中，攪拌均勻，得到氧化鋁含量為60wt%
(質(zhì)量百分比)的氧化鋁懸濁液；
[0054] 2)在步驟(1)所配制的氧化鋁懸濁液中摻入占氧化鋁質(zhì)量為0.lwt.%的二氧化鈦納米粉體，攪拌并經(jīng)超聲波分散，得到均勻的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液；
[0055] 3)將步驟(2)得到的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液置于一個(gè)聚四氟乙烯容器中， 該容器壁厚為5毫米，然后將聚四氟乙烯容器放在一個(gè)實(shí)體的金屬塊(作為冷指)上，金屬塊的下半部浸入在冷凍劑中，通過(guò)金屬塊的傳熱對(duì)混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液進(jìn)行定向冷凍，直至該懸濁液完全結(jié)冰為止，即得到含有陶瓷顆粒組裝體的冰塊。
[0056] 所述的金屬塊材質(zhì)優(yōu)選為銅或鋁；
[〇〇57]所述的冷凍劑優(yōu)選為液氮。
[〇〇58] 4)將步驟(3)得到的含陶瓷顆粒組裝體的冰塊置于低于_18°C，氣壓低于600Pa的
條件下干燥、除冰，得到層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體，并將得到的層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體在 1550°C的溫度下燒結(jié)2h，制成多孔陶瓷。
[〇〇59] 實(shí)施例6:
[〇〇6〇] 1)將納米級(jí)的氧化鋁粉體倒入去離子水中，攪拌均勻，得到氧化鋁含量為20wt% (質(zhì)量百分比)的氧化鋁懸濁液；
[0061] 2)在步驟(1)所配制的氧化鋁懸濁液中摻入占氧化鋁質(zhì)量為5wt.%的二氧化娃納
米粉體，攪拌并經(jīng)超聲波分散，得到均勻的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液；
[〇〇62] 3)將步驟(2)得到的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液置于一個(gè)聚四氟乙烯容器中，
該容器壁厚為5毫米，然后將聚四氟乙烯容器放在一個(gè)實(shí)體的金屬塊(作為冷指)上，金屬塊的下半部浸入在冷凍劑中，通過(guò)金屬塊的傳熱對(duì)混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液進(jìn)行定向冷凍，直至該懸濁液完全結(jié)冰為止，即得到含有陶瓷顆粒組裝體的冰塊。
[0063]所述的金屬塊材質(zhì)優(yōu)選為銅或鋁；
[〇〇64]所述的冷凍劑優(yōu)選為液氮。
[0065] 4)將步驟(3)得到的含陶瓷顆粒組裝體的冰塊置于低于_18°C，氣壓低于600Pa的
條件下干燥、除冰，得到層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體，并將得到的層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體在 1550°C的溫度下燒結(jié)2h，制成多孔陶瓷。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種層狀多孔氧化鋁陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法，其特征在于，步驟如下: 1) 將納米級(jí)的氧化鋁粉體倒入去離子水中，攪拌均勻，得到氧化鋁含量為15?60wt% 的氧化錯(cuò)懸池液； 2) 在步驟1)所配制的氧化鋁懸濁液中摻入占氧化鋁質(zhì)量的0.1?5的燒結(jié)助劑納米粉 體，攪拌并經(jīng)超聲波分散，得到均勻的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液； 3) 將步驟2)得到的混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液置于聚四氟乙烯容器中，該容器壁厚 為5mm，然后將聚四氟乙烯容器置于金屬塊上，金屬塊作為冷指，金屬塊的下半部浸入在冷 凍劑中，通過(guò)金屬塊的傳熱對(duì)混有燒結(jié)助劑的氧化鋁懸濁液進(jìn)行定向冷凍，直至該懸濁液 完全結(jié)冰為止，即得到含有陶瓷顆粒組裝體的冰塊； 4) 將步驟3)得到的含陶瓷顆粒組裝體的冰塊置于低于-18°C，氣壓低于600Pa的條件下 干燥、除冰，得到層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體，并將得到的層狀多孔氧化鋁陶瓷坯體在1500? 1600°C的溫度下燒結(jié)2h，制成多孔陶瓷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的層狀多孔氧化鋁陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法，其特征在 于，燒結(jié)助劑為二氧化硅或二氧化鈦。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的所述的層狀多孔氧化鋁陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法，其特征 在于，所述的金屬塊材質(zhì)為銅或鋁。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的所述的層狀多孔氧化鋁陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法，其特征 在于，所述的冷凍劑為液氮。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的所述的層狀多孔氧化鋁陶瓷孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控方法，其特征在 于，所述的冷凍劑為液氮。
【文檔編號(hào)】C04B35/64GK105884390SQ201610231562
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】史國(guó)棟, 周文雅, 武湛君, 王君涵, 王亨利, 章吉力
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)