[发明专利]一种“冷冻－凝胶成型”制备多孔陶瓷材料的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料领域，提供一种“冷冻-凝胶成型”制备多孔陶瓷材料 的工艺。

背景技术

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、强度高、硬度高等突出特点，其中，具有特 殊孔隙结构的陶瓷材料(特殊多孔陶瓷)则有着更进一步的特殊功用。比如，高 闭口气孔率陶瓷材料的比强度高、密度小，适用于作为高温隔热材料；高开口气 孔率陶瓷材料具有发达的比表面积，适用于作为过滤器；有序定向通孔陶瓷材料 具有长程有序的贯通孔隙结构，可以作为催化剂载体；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。这使得具有特殊多孔结构的陶瓷材料在石油、化工、宇航、生物、冶金、 能源、电子、医药、环保等诸多领域内得到了广泛的研究和应用。

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。近年来发展起来的冷冻成型工艺(文献2：J.Am. Ceram.Soc.，2006，89[8]：2394-2398)在制备特殊孔隙结构陶瓷材料方面体 现出了优势，其主要机理是溶剂先冷冻结晶然后挥发从而形成孔隙，但其主要缺 点是坯体脱去溶剂后的强度太低，从而无法制备大尺寸部件，难以适应实际的生 产过程。凝胶注模成型工艺通过陶瓷悬浮体中的有机单体在热诱导的条件下发生 聚合而实现坯体原位固化，制备的陶瓷材料具有坯体强度高、近净尺寸、有机物 含量低等突出优点(文献3：Am.Ceram.Soc.Bul.，2003，82[4]：42-46)，虽 然近些年也被用于多孔陶瓷材料的制备，但缺点在于难以获得具有复杂形状、特 殊分布的气孔结构，工艺不够灵活，使得其应用范围较窄。因此，将低温冷冻成 型与热诱导凝胶注模成型结合起来，既能获得可控、复杂的气孔结构，又能获得 高强度的坯体，对于多孔陶瓷材料的发展和应用具有重要的意义。

据检索，目前国内外还没有将冷冻成型与热诱导凝胶注模成型结合起来制备 特殊多孔陶瓷材料的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种“冷冻-凝胶成型”制备多孔陶瓷材料的工艺，其 特征在于，将陶瓷材料低温冷冻成型与热诱导凝胶固化成型结合起来，在一个工 艺过程中实现“冷-热”两个环节；具体工艺步骤如下：

1)以有机单体、溶剂、引发剂以及陶瓷粉体为原料，或高分子聚合物、溶 剂以及陶瓷粉体为原料，制备成为固相体积含量为10vol％～40vol％的悬浮体；

2)在悬浮体中加入溶剂调节剂(如甘油、水)或其它种类溶剂，改变溶剂 低温结晶的形貌，通过控制冷冻温度场的分布控制溶剂结晶的方向；

3)采用单体聚合体系时，将步骤2加入溶剂调节剂的悬浮体冷却至溶剂结 晶温度以上、单体聚合温度以下，在其中加入单体聚合的引发剂，搅拌均匀，注 入模具，置于溶剂结晶温度以下的环境中进行充分冷冻；采用高分子聚合物交联 体系时，则不需加入引发剂，直接将步骤2得到的悬浮体进行低温冷冻即可；在 冷冻过程中，悬浮体中的溶剂结晶生长，同时对旁边的陶瓷粉体产生推挤作用， 从而形成溶剂结晶体(气孔模板)与高密度陶瓷颗粒聚集区(气孔壁)共存的微 观结构；

4)将由步骤3所获得的冷冻坯体在溶剂结晶温度之下脱模，快速转移到高 于溶剂沸点5℃～10℃的环境中。首先，冷冻样品表面的溶剂快速融化，同时有 机单体聚合反应会以很快的速度发生，使得陶瓷粉体之间通过聚合物相互连接而 实现凝胶固化；或者溶剂快速挥发使得其中高分子聚合物发生交联，将陶瓷粉体 连接起来实现凝胶固化。随后溶剂挥发，得到具有与溶剂冷冻结晶形态相同的气 孔的坯体；

5)将步骤4的坯体进一步按照通用方法进行鼓风烘干、高温排胶、无压烧 结后，即可最终得到具有多气孔结构的陶瓷材料。