[发明专利]一种高度定向管状通孔多孔陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料领域，提供一种制备高度定向管状通孔的多孔陶瓷材料的新方法。

背景技术

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、硬度高、在电、磁、光、热、声、力等方面具有多功能性等优点，在生产生活中具有广泛的应用。长期以来，材料科学研究人员致力于如何获得更致密的材料，认为其内部的孔洞是材料失效的重要因素。近年的研究表明，如果存在于材料内部的孔洞在形貌、尺寸、和分布上可控，可以赋予材料特殊的性能和用途，例如：具有高闭口气孔率陶瓷材料可作为建筑材料隔热层、耐火材料、水上漂浮材料、航天透波材料；具有高开口气孔率陶瓷材料可作为建筑物贴面吸音材料、制造业中的散气隔板；梯度气孔陶瓷材料中的气孔含量以及大小呈梯度分布，用于燃气轮机的燃烧室可以提高燃烧率并保证部件高强度；具有长程有序的管状贯通孔隙结构的有序定向通孔陶瓷材料，可以作为催化剂载体、过滤器、分离膜。

目前制备多孔陶瓷材料的方法有很多种，可以归纳为三类：模板法、添加造孔剂法、直接发泡法(文献1：J.Am.Ceram.Soc.，2006，89[6]：1771-1789)，但这些方法所形成的气孔形状和数量受到所采用的模板、造孔剂以及生成气泡的限制，适用范围普遍比较窄。近来，长程有序的管状贯通孔隙结构的陶瓷材料由于其独特的应用价值日益受到研究人员的重视(文献2：J.Am.Ceram.Soc.，2006，89[6]：1771-1789)，但其制备方法一直没有取得很大的进展。近年来发展起来的冷冻成型工艺(文献3：Advanced Engineering Materials，2008，10[3]：155-168)在制备定向通孔陶瓷材料方面体现出了优势，但其主要缺点是孔隙的结构差，难以形成相互平行且孔壁致密的管道结构，孔径大小不可控，坯体及陶瓷材料的强度低；叔丁醇基凝胶注模成型方法是近几年兴起的一种制备高气孔率、气孔定向排列、高强度多孔陶瓷材料的有效方法(文献4：J.Am.Ceram.Soc.，2007，90[11]：3424-3429)，但是其定向通孔的长度短，而且制备工艺复杂，工艺可靠性低，难以适应实际的生产过程。

因此，本发明提供一种改进的冷冻注模方法，既能获得孔径大小可控、孔壁致密、高度定向的管状气孔结构，又能获得高强度的坯体和烧结体，制备工艺简便易行，对于多孔陶瓷材料的发展和应用具有重要的意义。

据检索，关于冷冻注模(freeze-casting)法制备孔壁致密的高度定向的管状气孔陶瓷材料，目前国内外还没有报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备孔壁致密的、高度定向管状通孔的多孔陶瓷材料的方法。以叔丁醇为溶剂和成孔剂，利用冷冻注模方法制备高度定向多孔陶瓷材料。

本发明制备工艺简单，工艺条件易于实现，对设备和工艺条件的要求低，适用材料体系范围广，适用于在高温条件下使用的过滤器、催化剂载体等多种用途，因此有利于推广应用。

本发明提出的一种高度定向管状通孔多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法含有如下步骤：

(1)以高分子聚合物、陶瓷粉体为原料，以叔丁醇为溶剂，制备成为固相体积含量为3vol％～40vol％的悬浮体；

(2)向上述悬浮体中加入溶剂调节剂并混合均匀后注模，冷冻固化成型；

(3)将由步骤(2)所获得的冷冻坯体在低于-5℃～25℃的温度条件下脱模，快速转移到冷冻干燥机中；

(4)将步骤(3)得到的坯体按照常规方法进行排胶、烧结后，即得到孔壁致密，具有高度定向、长程有序管状结构气孔的陶瓷材料。

在上述的制备方法中，步骤(1)所述悬浮体的制备方法为

以粘结剂、溶剂、结晶调节剂以及陶瓷粉体为原料，在35℃～45℃的温度条件下，将粘结剂、结晶调节剂与溶剂按照重量比为，溶剂∶粘结剂∶结晶调节剂＝100∶(0.5～30)∶(0.5～30)的比例预配为混合溶液，再按照占混合溶液3vol％～40vol％的固相含量加入陶瓷粉体，在25℃～45℃的温度条件下密封球磨4～24h，获得稳定的陶瓷悬浮体。

在上述的制备方法中，步骤(2)所述溶剂调节剂为甘油、水、硅烷偶联剂、阿拉伯树胶中的一种或两种。

在上述的制备方法中，步骤(2)所述注模是将悬浮体在25℃～40℃的温度条件下注模，并在-180℃～25℃的温度条件下固化成型。

在上述的制备方法中，所述粘结剂为可溶于醇的、且可通过溶剂脱除而产生分子交联的高分子聚合物体系，包括聚乙烯吡咯烷酮PVP、聚乙烯醇缩丁醛PVB、聚乙二醇PEG、聚氯乙烯PVC，聚苯乙烯PS等高分子聚合物原料中的一种或两种。