[发明专利]静电场与模具共同诱导冷冻干燥技术制备多孔陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制造技术领域，涉及一种多孔陶瓷的制备方法，具体涉 及一种静电场与模具共同诱导冷冻干燥技术制备多孔陶瓷的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是为开辟新能源而研发的一种新型发电装 置，具有高效率、无污染、全固态结构、适用多种燃料气体及应用范围广等 特点。制造固体氧化物燃料电池的关键技术是，其内部作为电解质材料的多 孔陶瓷的特殊孔结构的制备，该多孔陶瓷要求孔的结构呈一维定向排列、孔 的连通性好、孔径在100μm以下、孔密度为10⁴～10⁶个/cm²量级，以保证气 体流通和电化学反应，同时，具有大的比表面积和高效率。

现有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，采用这些方法制备出的多孔陶瓷，均不能满足固体氧化物燃料 电池的需求。

二十世纪三十年代发展起来的冷冻干燥技术主要用于食品、微生物及药 品的冷冻干燥。近来有学者用该技术制备具有独特孔结构的多孔陶瓷材料， 日本学者Takayuki Fukasawa等通过采用单方向冷冻水基陶瓷浆料和在低压下 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；Ji Woong Moon等以水浆液为原料，通过冷冻干燥法合成了孔道呈 放射状排列的NiO-YSZ管状柱；韩国学者Byung-Ho Yoon，Hyoun-Ee Kim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。中国科学院上海硅酸盐研究所采用冷冻干燥 法制备多孔陶瓷材料，通过控制浆料的固相含量和冷冻速率形成多孔素坯， 经过烧结、制成多孔陶瓷材料。

这些方法只是通过改变陶瓷浆料中的溶剂种类或陶瓷浆料的冷冻速率来 控制多孔陶瓷的多孔结构，而该多孔结构的孔径、孔密度和孔排列方式不能 同时满足固体氧化物燃料电池所需多孔陶瓷对多孔结构的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电场与模具共同诱导冷冻干燥技术制备多孔 陶瓷的方法，利用该方法可制得孔呈一维定向排列、孔径为5μm～100μm、孔 密度为1×10⁴～1×10⁶个/cm²、适用于固体氧化物燃料电池的多孔陶瓷电解质 材料。

本发明所采用的技术方案是，一种静电场与模具共同诱导冷冻干燥技术 制备多孔陶瓷的方法，具体按以下步骤进行：

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

步骤2：根据所需制备多孔陶瓷的孔径和孔密度，取由高分子材料制成的 具有相应孔径和孔密度的多孔板，再取绝缘材料板，用多孔板做底面、绝缘 材料做侧面，制成诱导模具，

将步骤1制得的陶瓷浆料注入诱导模具，并置于温度梯度和静电场共同 作用的环境中冷冻，根据所需孔排列方式，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，

其中，步骤2中，所需多孔陶瓷的孔径为5μm～100μm、孔密度为1×10⁴～ 1×10⁶个/cm²，选用多孔板相应的孔径为3μm～98μm、孔密度为1×10⁴～1×10⁶个/cm²。

其中，步骤2中，所需孔排列方式为一维定向排列，控制温度梯度方向 与静电场方向一致，温度梯度为0.1℃/cm～10℃/cm、电场强度为0.1kV/m～ 10kV/m。

所用多孔板的材料为PTFE聚四氟乙烯、PVF聚偏二氟乙烯、PCTFE聚 三氟氯乙烯、PE或PS中的一种。

所用的极性溶液选取水、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。

本发明的有益效果是，