冷冻干燥法制备Al2O3多孔陶瓷工艺及成孔机理研究
多孔陶瓷(Porous ceramic)是一种新型的绿色陶瓷材料,具有超轻、高比强度、高比刚度、高能量吸收、发达的比表面积以及独有的物理特性,还兼具减震、隔热、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性等功能.冷冻干燥法作为环保型绿色工艺,逐渐成为一种制备多孔陶瓷的新方法.在采用冷冻干燥法制备多孔陶瓷材料的过程中,多孔陶瓷的孔隙结构主要由冰晶形貌决定,而孔隙结构又直接影响多孔陶瓷的性能,因此对冰晶形貌和冷冻工艺的控制研究具有重要意义.本文对固相含量、冷冻温度、烧结温度、添加剂等因素对氧化铝多孔陶瓷显微结构、气孔率和抗压强度的影响进行了详细研究,并探讨了成孔机理.
研究结果表明,通过对冷冻干燥工艺过程的控制,制备出了具有高气孔率、高强度、呈层片状和蜂窝状复杂孔隙结构的氧化铝多孔陶瓷材料.浆料中的固相含量对多孔陶瓷的气孔率及抗压强度有着较大影响,当固相含量由11vol%增加到43vol%,气孔率从72%下降到19%,抗压强度由12MPa增加到33MPa.当固相含量不变时,随着烧结温度的升高,气孔率及孔径在减小,而抗压强度在增加.以水玻璃为粘结剂,可以显著提高多孔陶瓷的机械强度,但会对气孔率有一定的影响,少量添加水玻璃可以提高抗压强度,当水玻璃加入量超过30wt%后,气孔率和抗压强度开始减小.
在水基陶瓷浆料中添加一定比例的抗冻剂甘油,配制出不同浓度的水-甘油基陶瓷浆料后进行烧结,对比实验发现,宏观裂纹明显减少,抗压强度增加.使用水玻璃作为粘结剂,在烧结后的样品中含有钠离子,对高温性能有一定影响.以聚乙烯醇作为粘结剂代替水玻璃,样品多孔显微结构发生明显改变,由层片状变为蜂窝状,气孔率增加,常温下抗压强度略有降低,但高温使用环境下性能稳定.
兼具分散和粘结功能的聚丙烯酰胺作为粘结剂使用时,分散效果较好,可以制备出低固相含量、高气孔率和大孔径的多孔陶瓷.
在采用冷冻干燥工艺制备氧化铝多孔陶瓷的过程中,通过控制工艺过程,选择不同的添加剂和工艺参数,可以制备出具有不同微观结构和使用目的的多孔陶瓷产品,用于不同的环境.
- 作者：
- 罗震峰
- 学位授予单位：
- 陕西理工学院
- 专业名称：
- 材料加工工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 冯小明
- 中图分类号：
- TG113.25
- 关键词：
- 冷冻干燥法；多孔陶瓷；力学性能；孔结构；添加剂
- Freeze casting process； Al2O3porous ceramic； mechanical property； porestructure； additives