[发明专利]静电场下冷冻干燥技术制备多孔陶瓷材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制造技术领域，涉及一种多孔陶瓷材料的制备方法，具体涉及一种静电场下冷冻干燥技术制备多孔陶瓷材料的方法。

背景技术

多孔陶瓷作为具有多种用途的材料，广泛应用于过滤、分离、分散、渗透、隔热、换热、吸声、隔音、吸附载体、反应传感及生物组织工程等领域。其主要是利用材料中的孔洞结构和(或)表面积，结合材料本身的性质达到所需要的热、电、磁、光等物理及化学性能。多孔陶瓷的用途不同，对其多孔结构的要求也不同。如燃料电池用多孔陶瓷材料，要求孔连通、表面积大，并保证气体的流通和电化学反应；吸声隔音用多孔陶瓷，要求材料孔径为20μm～150μm，孔隙率大于60％，且孔相互连通向外敞开；生物组织工程陶瓷支架要求多孔结构三维连通，显气孔率较高(60％～70％)，孔的内表面积大，孔径以200μm～800μm为主，具有微孔(小于2nm)或介孔(2～50nm)范围的孔隙。

目前，制备多孔陶瓷材料的方法很多，如添加造孔剂法、化学发泡法、模板复制法等，可以制备出孔隙率较高、孔径均匀分布的多孔陶瓷。但这些方法生产出的多孔陶瓷材料，其多孔结构是随机的、不确定的，即无法控制多孔陶瓷材料中的孔径、孔形状以及孔的排列方式呈规律分布。

近来，有学者利用冷冻干燥技术制备多孔陶瓷材料。日本学者TakayukiFukasawa等人，通过采用单方向地冷冻水基陶瓷浆料和低压下将冰升华的工艺，合成了既含有宏观孔又含有显微孔的独特结构的多孔氧化铝陶瓷；韩国学者Byung-Ho Yoon等人，以聚碳硅烷(PCS)作前驱体，樟脑作溶剂，采用冷冻干燥法制备出了孔结构呈树枝状的多孔碳化硅陶瓷。但是，上述方法在多孔陶瓷的制备过程中，还不能使多孔陶瓷的孔径、孔形状以及孔的排列方式可控并呈规律分布。

研究表明，陶瓷浆料处于电场中，极性溶液沿电场线方向结晶，且电场强度决定结晶速度。但静电场与温度梯度共同作用于陶瓷浆料，对极性溶液结晶的孔径、形状和排列方式的影响，未有相关的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电场下冷冻干燥技术制备多孔陶瓷材料的方法，制备多孔陶瓷材料的过程中，可对孔径、孔形状以及孔排列方式进行控制。

本发明所采用的技术方案是，一种静电场下冷冻干燥技术制备多孔陶瓷材料的方法，按以下步骤进行：

步骤1：取粒径为0.1μm～50μm的陶瓷粉末加入极性溶液中，混合均匀，得到固相体积含量为30％～70％的陶瓷浆料；

步骤2：将步骤1得到的陶瓷浆料注入底面为传热材料、侧面为绝热材料的模具中，然后，将该模具处于由温度梯度和静电场共同作用的环境中冷冻，根据所需不同的结晶体孔径、孔形状以及孔排列方式控制温度梯度与静电场的大小和方向的组合；

步骤3：陶瓷浆料完全冷冻后，取出，置于真空环境中干燥，除去结晶体得到多孔陶瓷材料预制体；

步骤4：将上步得到的多孔陶瓷材料预制体在1250℃～1500℃的温度烧结，即制得多孔陶瓷材料。

本发明的特征还在于

所述步骤2中，所需极性溶液结晶体沿电场线方向的直径为1mm～100μm时，控制电场强度为0.1kV/m～10kV/m；所需极性溶液结晶体与电场线垂直方向的直径为3mm～100μm时，控制温度梯度为20℃/cm～100℃/cm。

所述步骤2中，所需结晶体形状截面为圆或近似为圆时，控制电场方向与温度梯度方向一致；所需结晶体形状截面为层状或椭圆时，控制电场方向与温度梯度方向成角度。

所述步骤2中，控制电场方向与所需结晶体的横向排列方式一致，控制温度梯度和电场强度矢量和的方向与所需结晶体的纵向排列方向一致。

极性溶液选取水、NaCl溶液、甲酰胺、乙腈、甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、二氧六环、四氢呋喃、甲乙酮、正丁醇、乙酸乙酯、乙醚或异丙醚中的一种。

所述步骤2中冷冻时，控制环境温度为选取的极性溶液的结晶温度以上1℃～5℃。

所述步骤2中模具的底面材质为Cu、侧面为酚醛泡沫。

本发明的有益效果是制备得到的多孔陶瓷材料，具有孔径、孔形状和排列方式可控的优点，可广泛应用于过滤材料、催化剂载体、减震材料、吸音材料、燃料电池、人工骨替代材料和药物释放载体等领域。

附图说明

图1是电场方向与温度梯度方向一致时的冷冻工艺示意图；

图2是电场方向与温度梯度方向一致时极性溶液的结晶示意图；其中，a是立体图，b是纵剖视图；

图3是电场方向与温度梯度方向垂直时的冷冻工艺示意图；