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氧化铝和氧化硅多孔陶瓷冷凝成型与组织性能研究

胡路阳  
【摘要】: 多孔陶瓷作为一种重要的材料,由于其具有密度小、耐高温、耐腐蚀、比表面积高等优点,在工程上被广泛应用于各个领域。在过去几十年,大量的技术被发展用于多孔陶瓷的制备,但由于其自身的特点,所得材料孔的性质被限制在一定范围内。冷凝成型工艺,利用成型剂晶体生长与升华的制备技术,以其材料组织性能可控、环境友好等特性,为多孔陶瓷的制备提供新的途径。 针对这种新型的成型技术,结合颗粒对凝固系统温度与浓度场的影响,从理论上确定固-液界面的稳定性条件,并根据移动界面与颗粒之间的相互作用,获得界面捕获与排出颗粒的临界速率。利用固-液界面的不稳定及颗粒从界面排除的判定条件,采用浆料底部匀速降温的定向凝固方式设计和制备了具有单向宏孔排列结构的材料,并从浆料组成成分与冷凝成型技术的角度对所制备材料的组织性能进行研究。 实验结果表明,在氧化铝浆料引入甘油作为抗冻剂,冷凝成型制备的多孔陶瓷的力学性能可能被提高。通过研究不同固相含量浆料中,甘油浓度对凝固过程、陶瓷显微结构和抗压强度的影响,认为甘油的添加增加了浆料的粘度和烧结样品的致密度,促进陶瓷中宏孔结构的转变和陶瓷层间的连接。这种良好的连接使多孔陶瓷获得高的力学性能。对于30 vol.%固相含量的水-甘油基浆料而言,制备陶瓷的轴向和侧向抗压强度分别达到255.1 MPa和105.8 MPa。 除了浆料组分的改变可以对多孔陶瓷的组织性能调节外,冷凝成型技术的改进也能达到相同的目的。例如通过采用浸渍与定向凝固结合的技术制备了具有复杂三维连通孔结构的氧化铝陶瓷。在这个过程中,聚氨酯海绵被浸渍于含有20 vol.%氧化铝浆料的模具内,随后使浆料底部以6℃/min的降温速率定向凝固。经过预制件的干燥与烧结后,具有明显层状结构的多孔陶瓷被获得,其层厚与层间距分别为~9μm和~15μm。来源于海绵骨架烧蚀形成的大孔均匀分布在陶瓷样品中,这些大孔的存在导致了层状结构的局部中断,但所制备的多孔陶瓷仍保持高的力学性能。 在定向凝固过程中,电场的引入也被用于致密/多孔双层氧化铝陶瓷的制备。其中致密层的厚度能够通过调节电压强度的大小进行控制,当加载的电压从15 V增加至90 V时,致密层厚度由51μm相应地增加到155μm。而在多孔层部分,所有制备的陶瓷都表现出相同的、具有良好连接的层状结构,其层厚与层间距分别为~14μm和~24μm。 由于催化和吸附等领域的实际应用,具有等级孔系统的单向宏孔排列氧化硅陶瓷通过可溶性淀粉模板的矿化被原位合成。该过程由两步所构成,第一步采用可溶性淀粉水溶胶或水凝胶的定向冷凝制备具有单向宏孔通道的块体材料;第二步,使用制备的淀粉材料作为模板浸渍于含有表面活性剂的溶胶-凝胶溶液中,进行模板结构的矿化。实验结果表明,所制备可溶性淀粉材料的宏孔尺寸、壁厚及宏孔形貌可以通过调节其浆料的含量控制。当淀粉初始含量由10 wt.%改变为15 wt.%时,模板材料的宏孔尺寸减小,而壁厚增加。经过对第二步处理得到材料的干燥和煅烧后,多孔氧化硅陶瓷被获得。这些陶瓷完整地复制了模板的精细结构,展示了狭窄的宏孔分布。就其孔径而言,当浸渍时间从36 h增加到84 h时,平均尺寸由4.1μm减小到3.6μm。此外,在纳米尺度内,所有氧化硅陶瓷都展现出均匀的蠕虫状纳米孔与层状相的共存结构和高的BET、微孔比表面积。


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