[发明专利]一种采用冷冻干燥法制备具有定向结构多孔陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制作多孔陶瓷材料的方法，更特别地说，是指一种采用冷冻干燥方法制备定向多孔陶瓷材料。制得的定向多孔陶瓷材料具有多孔结构，且由宏观的平行于冷冻温度梯度方向的定向孔道和孔壁上分布的微孔构成。

背景技术

航空发动机涡轮前燃气温度的不断提高，要求叶片冷却效率的提高，而此技术的关键在于陶瓷型芯的制造。目前现有的高效气冷叶片陶瓷型芯主要分为氧化硅基和氧化铝基两种。与氧化硅基陶瓷型芯相比，氧化铝陶瓷型芯冶金化学稳定性、抗蠕变性能好，可保证内腔结构复杂的定向柱晶和单晶空心叶片的尺寸精度和合格率，并能降低叶片的制造成本。然而，目前使用的氧化铝型芯的主要成分是刚玉，它在常温和加热的条件下几乎不与浓酸浓碱反应，因此很难脱除。

具有开孔结构的多孔陶瓷因其高的渗透性和发达的比表面积，能够在气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、吸声减震、高级保温材料、生物植入材料、特种墙体材料和传感器材料等多方面得到广泛的应用。目前，多孔材料制备工艺有有机泡沫浸渍法、添加造孔剂法、挤出成型工艺、溶胶-凝胶工艺等，但这些方法都有一定的局限性，比如有机物易造成环境污染、工艺的适用材料有限、孔结构难以控制等。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用冷冻干燥法制备具有定向结构多孔陶瓷的工艺，是利用冷冻凝固陶瓷浆料、减压干燥排除介质从而直接获得多孔陶瓷的成型方法，与其它多孔制备工艺相比，是一种可以制备出高定向性、高气孔率和复杂形状多孔材料的方法，没有添加大量的有机造孔剂，是一种环保型工艺，其最大特点是利用介质固化过程对陶瓷颗粒的作用对其多孔结构进行控制。

本发明采用冷冻干燥法制备具有定向结构多孔陶瓷的工艺，是将分散好的稳定陶瓷浆料注入模具，在低于液态分散介质凝固温度条件下，液相介质冷冻结晶，使浆料固化，该过程中固体陶瓷颗粒被挤压聚集，形成固态介质粉体偏聚的特殊结构，固化后的冻结体置于低压环境下使冻结的介质直接升华排出，获得干燥的、具有沿冷冻温度梯度方向定向孔结构的多孔陶瓷坯体，最后在高温下烧结得到具有一定机械强度的多孔陶瓷材料。通过控制浆料固体含量、冷冻速度、粉体分散状态等因素可以实现对多孔材料的气孔率、孔结构的控制。气孔结构可以控制；引入的有机添加剂少，有利于环保；干燥、烧结收缩小，可以实现净尺寸成型。该多孔陶瓷材料为100g的α-氧化铝中加入0.5～5g的聚丙烯酸铵，20～100ml去离子水，0.5～5ml的聚乙烯醇。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的试样平行于冷冻温度梯度方向的扫描电镜照片。

图2是本发明实施例1制得的试样孔径分布曲线。

图3是本发明实施例3制得的试样孔径分布曲线。

图4是本发明实施例4制得的试样孔径分布曲线。

图5是本发明实施例5制得的试样孔径分布曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种采用冷冻干燥法制备具有定向结构α-氧化铝多孔陶瓷材料的工艺，原材料为α-氧化铝(α-Al₂O₃)、分散剂为聚丙烯酸铵(NH₄PAA)、粘结剂为聚乙烯醇(PVA)和去离子水。

在球磨罐中加入原材料、分散剂、去离子水，球磨0.5～2小时后，制备出浆料；在浆料中添加粘结剂混合均匀并调节pH值在7～11.5之内，然后混合均匀注模，并放入冷冻介质温度为-20℃～-100℃冷冻装置中进行冷冻0.5～5小时后取出，置于真空箱内5～15小时后得到素坯；将素坯放入高温炉中在1300℃～1550℃，烧结1～3小时后随炉温冷却至室温，制得具有定向结构的多孔陶瓷材料。

用量：100g的原材料中加入0.5～5g的分散剂，20～100ml去离子水，0.5～5ml的粘结剂。

将上述方法制得的定向结构的多孔陶瓷材料采用阿基米德排水法测试其气孔率，采用材料力学性能测试仪测试其抗压强度，采用压汞仪测试其孔径分布，采用扫描电镜观察其微观结构。

本发明工艺制得的定向结构的多孔陶瓷材料的气孔率为41.9～75.7％。

本发明工艺制得的定向结构的多孔陶瓷材料的抗压强度为0.3～160.9MPa。

实施例1：

采用冷冻干燥法制备具有定向结构的α-Al₂O₃多孔陶瓷材料。

所用原材料为α-氧化铝(α-Al₂O₃)、分散剂为聚丙烯酸铵(NH₄PAA)、粘结剂为聚乙烯醇(PVA)。