离心—凝胶成型工艺制备气孔梯度陶瓷

【摘要】： 气孔梯度陶瓷集成了多孔陶瓷与梯度功能材料的双重优点,因而在绝热保温、净化分离、生物材料等诸多领域有着广泛的应用。近年来,气孔梯度陶瓷的成型工艺逐渐成为研究的热点,其中离心成型有着利用传输法形成梯度结构等突出优点,因而被视为一种有前景的工艺。然而目前对离心成型过程机理了解还很少,浆料离心后的固化方式也有待进一步深入研究,这些问题严重阻碍了离心成型制备气孔梯度陶瓷在工业生产中的开展。 本论文以适合工业制备气孔梯度陶瓷的离心成型工艺为研究目标,系统研究了离心力场中粒子运动的规律以及外部条件对凝胶过程的影响。首次提出利用具有平衡固相含量的浆料进行离心制备气孔梯度陶瓷的工艺,浆料中只加入引发剂,不加入催化剂,室温下对浆料进行离心,离心后升高温度使浆料原位固化,将浆料中成梯度分布的造孔剂组分保存在坯体中,经过脱除造孔剂和烧结得到气孔梯度陶瓷。 从浆料的本征压缩屈服强度出发,研究了浆料固相含量、离心速率对离心后浆料状态的影响。结果显示平衡固相含量浆料具有最大的压缩屈服强度,加载小于压缩屈服强度的离心力时,粒子排列方式发生改变,而浆料不发生浓缩沉积。 从单相粒子在极稀溶液中的离心沉降运动入手,深入分析了多相高固相含量浆料中粒子在离心力作用下的运动规律,得到了粒子运动速率的表达式。利用Matlab程序对多相平衡固相含量浆料的离心过程进行建模,确定了各工艺参数与造孔剂梯度分布之间的定量关系。实验发现,影响梯度结构的外部因素包括离心时间、离心力的大小等;内部因素包括造孔剂粒子的体积含量、密度、粒径等。因而,针对不同的梯度结构进行气孔梯度陶瓷制备工艺的设计时,可以通过调节上述工艺因素实现。利用几种工艺因素的配合可以更为方便、灵活的得到不同的梯度结构。 分析了具有平衡固相含量浆料的配制方法,认为只有利用静电稳定机制的分散剂在最佳pH值下才能配制出适宜于离心成型、流动性好的浆料;研究了引发剂、催化剂的加入量以及温度对浆料凝胶起始点和凝胶过程的影响,提出上述三因素是实现可控凝胶固化工艺的关键控制因素。通过调节引发剂、催化剂的加入量以及温度实现了可控凝胶固化,并提出离心-凝胶固化制备气孔梯度陶瓷的工艺路线。 利用上述工艺成功制备了气孔梯度陶瓷。实验发现,得到的气孔梯度陶瓷中气孔有三种类型:第一种类型为粉体堆积引入的气孔,其孔径和粉体的粒径有直接的关系;第二种类型为造孔剂脱除后引入的气孔,其孔径为造孔剂的粒径;第三种类型为造孔剂接触所形成的颈部烧失后留下的通道,通道的数量表征了材料中气孔的连通状况。气孔率梯度从60%到几乎均匀的多孔陶瓷都可以通过调节工艺参数得到,对采用不同工艺得到的气孔梯度结构与模拟结果进行对比发现二者吻合良好。