专利名称：一种采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化铝多孔陶瓷的制备方法，特别涉及一种采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法。
背景技术：
多孔陶瓷材料具有相对均勻分布的微孔、低的体积密度、三维立体网络骨架结构、 高的比表面积及独特的物理表面特性，对液体和气体介质具有良好的选择透过性、能量吸收或阻压特性，耐高温，耐腐蚀等，是一种理想的催化剂载体，从而成为“节能减排”材料的一支奇葩。此外，多孔陶瓷材料在气液体过滤、净化分离、吸声减震、高级保温材料、生物植入材料、特种墙体材料等方面具有广阔的应用前景。多孔材料的制备技术是决定其结构、性质和应用领域的关键因素。理想的技术不仅要求结构可控，力学性能可靠，而且要求工艺简单，成本低。目前，已经有多种工艺用于多孔材料的制备，如有机泡沫浸渍法、添加造孔剂法、发泡法、溶胶-凝胶法、化学气相渗透或沉积法、仿生合成法等。①有机泡沫浸渍法制备多孔陶瓷，其孔尺寸主要取决于有机泡沫体的孔尺寸，制品形状密度不易控制，且有机物燃烧会污染环境；②添加造孔剂法制备多孔陶瓷，其气孔分布均勻性差，不适合制备高气孔率的制品；③发泡法添加有机或无机化学物质，通过化学反应等产生挥发性气体而产生泡沫， 再经过干燥和烧成制得多孔陶瓷，工艺过程不易控制；④溶胶-凝胶法通过相变或化学反应获得孔隙，制备成本高；⑤化学气相渗透或沉积法工艺要求严格，孔形态不易控制，能量消耗大；⑥仿生合成法主要以植物的天然多孔组织为模板，通过渗透反应制得多孔陶瓷，但需去除生物模板，工艺繁多且复杂，不易推广。大多数制备方法主要还是依赖于在制备中使用有机填料、发泡剂等来形成孔结构，从某种程度上看，造成了环境污染。
发明内容
本发明的目的在于提出一种采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法，通过调控浆体浓度、冷冻温度等关键工艺，从而得到不同孔隙率、复杂形状的多孔陶瓷。该方法操作工艺简单，成本低且不需要添加有机造孔剂等，避免了环境污染，是一种环保型工艺。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是1)首先，取IOOg氧化铝粉、150g 300g蒸馏水、30g Nii2SiO3 · 9H20粘结剂、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂装入不锈钢球磨罐中，再加入650g不锈钢磨球，然后在球磨机上进行充分球磨混合12小时配置成稳定的悬浊液；2)其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；3)将排除气泡后的悬浊液注入模具中，然后将模具置于-30°C -40°C的真空冷冻干燥机中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下干燥后脱模，得到与成型模具相同形状的多孔Al2O3素坯；4)然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率自室温升至1500°C 1600°C，保温2小时；5)最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的氧化铝多孔陶
ο所述步骤1)球磨的机转速为600转/分，球磨过程采用间歇式球磨的方式，每球磨1小时，停止球磨机冷却1小时。所述的专用陶瓷粉水体系分散剂为HFXZ-802。所述的球磨机采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机。所述的成型模具为圆柱状结构，模具材质为聚丙烯，厚度为2mm。所述的真空冷冻干燥机为LGJ-10D型。所述的氧化铝多孔陶瓷孔隙率大于50%，抗压强度大于9MPa。冰冻干燥工艺(Freezing Casting)是以冰为造孔模板，冻结含有陶瓷粒子的悬浊液，在水冻结成冰晶的过程中冰结晶推动陶瓷粒子到冰晶枝间的区域，形成与冰晶在相同尺度上的微结构，经冷冻干燥后冰晶升华被去除，陶瓷粒子保持存在于冰晶间的形态，获得冰晶生长的负的复制品的多孔微结构，较好地遗传了冰晶形貌。冰冻干燥法具有下列特点 (1)对环境无任何污染，无需添加有机或无机化学有害物质；(2)孔隙结构的形成是一种物理过程，不需要特别的模板，也不需要如煅烧、化学刻蚀等去除模板的过程；(3)可同时获得多种尺度(从微米至纳米)孔结构以及微孔和片层复合结构；(4)设备投资少，可以实现净尺寸成型，易于推广应用。因此，随着多孔材料应用领域的迅速扩大和对环境保护的日益重视，人们对无污染的多孔材料的制备技术越来越重视。本发明采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷，具有以下优点1)制备的氧化铝多孔陶瓷是由宏观孔(圆形孔和片层结构)和微观小孔组成，具有相互贯通的开孔结构，通过调控浆体浓度和冷冻干燥温度，可获得高气孔率、结构复杂的样品；2)粘结剂Na2SiO3 · 9H20的加入，使冷冻干燥后的样品保持一定的强度，而不致于在脱模时发生坍塌；3)复合烧结助剂T^2和CuO的加入，可以降低氧化铝的烧结温度及其烧结激活能；4)球磨后的悬浊液经过真空抽气后可以排除球磨过程中产生的气泡；5)制备的氧化铝多孔陶瓷其气孔率采用阿基米德排水法测量，采用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机测量其抗压强度，采用JSM-6390LV型扫描电子显微镜观察其微观结构。检测制备的氧化铝多孔陶瓷孔隙率大于50%，抗压强度大于9MPa。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明实施例1中经过-30°C冷冻-干燥-脱模后多孔素坯的宏观照片；图2是本发明实施例1中经过-30°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1500°C烧结后，得到的多孔陶瓷横切面扫描电子显微镜照片；其中
图2(a)、(b)、(c)、(d)为不同倍数扫描电子显微镜照片。图3是本发明实施例1中经过-30°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1500°C烧结后，得到的多孔陶瓷纵断面扫描电子显微镜照片；其中图3(a)、(b)为不同倍数扫描电子显微镜照片。图4是本发明实施例2中经过-30°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1550°C烧结后，得到的多孔陶瓷横切面扫描电子显微镜照片；其中图4(a)、(b)、(c)、(d)为不同倍数扫描电子显微镜照片。图5是本发明实施例2中经过-30°C冷冻干燥脱模后多孔素坯于1550°C烧结后， 得到的多孔陶瓷纵断面扫描电子显微镜照片；其中图5(a)、(b)、(C)为不同倍数扫描电子显微镜照片。图6是本发明实施例3中经过-40°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1600°C烧结后，得到的多孔陶瓷横切面扫描电子显微镜照片；其中图6(a)、(b)为不同倍数扫描电子显微镜照片。图7是本发明实施例4中经过-40°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1500°C烧结后，得到的多孔陶瓷横切面扫描电子显微镜照片；其中图7(a)、(b)为不同倍数扫描电子显微镜照片。
具体实施例方式实施例1 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 150g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于-30°C的真空冷冻干燥机 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔 Al2O3素坯；经过-30°C冷冻-干燥-脱模后多孔素坯的宏观照片可以看出，外观完整，无宏观裂痕，如图1所示。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1500°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
ο⑥使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的典型微观结构如图2和图3所示，图2是经过_30°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1500°C烧结后制备的多孔陶瓷横切面的扫描电子显微镜照片。由图可见，多孔陶瓷是由宏观圆孔及分布在孔壁上的微观小孔组成，孔分布均勻，具有相互贯通的开孔结构。图3是经过_30°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于 1500°C烧结后，得到的多孔陶瓷纵断面的扫描电子显微镜照片。由图可见，近似为圆孔状结构。⑦采用阿基米德排水法测量了使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的气孔率为 62. 92%。⑧采用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机测量了使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的抗压强度为9. 30MPa。实施例2 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 150g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于_30°C的真空冷冻干燥机 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔 Al2O3素坯。经过-30°C冷冻-干燥-脱模后多孔素坯的宏观照片可以看出，外观完整，无宏观裂痕，如图1所示。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1550°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
ο⑥使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的典型微观结构如图4和图5所示，图4是经过_30°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1550°C烧结后制备的多孔陶瓷横切面的扫描电子显微镜照片。由图可见，多孔陶瓷是由宏观椭圆形孔及分布在孔壁上的微观小孔组成， 孔分布均勻，具有相互贯通的开孔结构。图5是经过-30°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1550°C烧结后，得到的多孔陶瓷纵断面的扫描电子显微镜照片。由图可见，形成了不规则圆形孔。由于烧结温度升高，从而使孔道形状发生了改变。⑦采用阿基米德排水法测量了使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的气孔率为 52. 52%。与实施例1相比，烧结温度升高后，气孔率明显降低。⑧采用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机测量了使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的抗压强度为12. 40MPa。与实施例1相比，烧结温度升高后，抗压强度增大。实施例3 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 200g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于-40°C的真空冷冻干燥机中 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔Al2O3 素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1600°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
ο⑥使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的典型微观结构如图6所示，图6是经过-30°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1600°C烧结后制备的多孔陶瓷横切面的扫描电子显微镜照片。由图可见，形成了定向结构的层状孔，其方向与冰晶的生长方向一致，在孔壁上分布着一些微孔。由图6(b)高倍数扫描电子显微镜照片可见，层与层之间形成了架桥。⑦采用阿基米德排水法测量了使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的气孔率为 70. 70%。⑧采用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机测量了使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的抗压强度为10. SOMPa0实施例4 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 200g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于-40°C的真空冷冻干燥机 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔 Al2O3素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1500°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
⑥使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的典型微观结构如图7所示，图7是经过-30°C冷冻-干燥-脱模后的多孔素坯于1500°C烧结后制备的多孔陶瓷横切面的扫描电子显微镜照片。由图可见，形成了分布不均勻、不规则的层状结构。由图7(b)高倍数扫描电子显微镜照片可见，层与层之间亦形成了架桥。与实施例3相比，仅仅烧结温度不同，导致结构的不同，亦对性能造成较大差异。⑦采用阿基米德排水法测量了使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的气孔率为 65.52%。与实施例3相比，气孔率减小，与结构的变化有关。⑧采用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机测量了使用本发明制备的氧化铝多孔陶瓷的抗压强度为16. 9. MPa0与实施例3相比，抗压强度明显增大，与气孔率的减小有关。实施例5 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 260g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于-30°C -40°C的真空冷冻干燥机(北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ_10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔Al2O3素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1520°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
ο⑥将上述方法制备的多孔陶瓷采用阿基米德排水法测量气孔率，采用WAW-1000 微机控制电液伺服万能试验机测量其抗压强度，采用JSM-6390LV型扫描电子显微镜观察其微观结构。实施例6 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 230g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；
③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于-36°C的真空冷冻干燥机 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔 Al2O3素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1540°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
ο⑥将上述方法制备的多孔陶瓷采用阿基米德排水法测量气孔率，采用WAW-1000 微机控制电液伺服万能试验机测量其抗压强度，采用JSM-6390LV型扫描电子显微镜观察其微观结构。实施例7 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 150g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于-40°C的真空冷冻干燥机 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔 Al2O3素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1500°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
ο⑥将上述方法制备的多孔陶瓷采用阿基米德排水法测量气孔率，采用WAW-1000 微机控制电液伺服万能试验机测量其抗压强度，采用JSM-6390LV型扫描电子显微镜观察其微观结构。实施例8 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 150g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于--40°C的真空冷冻干燥机 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔 Al2O3素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1550°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
ο⑥将上述方法制备的多孔陶瓷采用阿基米德排水法测量气孔率，采用WAW-1000 微机控制电液伺服万能试验机测量其抗压强度，采用JSM-6390LV型扫描电子显微镜观察其微观结构。
实施例9:①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 300g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于_30°C的真空冷冻干燥机 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔 Al2O3素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1500°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
ο⑥将上述方法制备的多孔陶瓷采用阿基米德排水法测量气孔率，采用WAW-1000 微机控制电液伺服万能试验机测量其抗压强度，采用JSM-6390LV型扫描电子显微镜观察其微观结构。实施例10 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 280g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。
②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于-38°c的真空冷冻干燥机 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔 Al2O3素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1580°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶瓷。⑥将上述方法制备的多孔陶瓷采用阿基米德排水法测量气孔率，采用WAW-1000 微机控制电液伺服万能试验机测量其抗压强度，采用JSM-6390LV型扫描电子显微镜观察其微观结构。实施例11:①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 260g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于_35°C的真空冷冻干燥机 (北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔 Al2O3素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1560°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶瓷。⑥将上述方法制备的多孔陶瓷采用阿基米德排水法测量气孔率，采用WAW-1000 微机控制电液伺服万能试验机测量其抗压强度，采用JSM-6390LV型扫描电子显微镜观察其微观结构。实施例12 ①首先，分别称量IOOg氧化铝粉(汉中秦元新材料有限公司生产，过325目)、 300g蒸馏水、30g Na2SiO3 · 9H20粘结剂(成都金山化学试剂有限公司)、4g TiO2和2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂(合肥翔正化学科技有限公司，型号 HFXZ-802)，装入不锈钢球磨罐中，加入650g不锈钢磨球，然后采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机进行充分球磨混合12小时，配置成稳定的悬浊液，球磨机转速为600转/分，在球磨过程中每研磨1小时，停止球磨机冷却1小时。②其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；③之后，将悬浊液注入聚丙烯模具内，然后将模具置于-40°C的真空冷冻干燥机北京四环科学仪器厂有限公司生产，型号LGJ-10D)中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下连续干燥彻底，然后脱模，得到与成型模具形状相似的柱状多孔Al2O3 素坯。④然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C /min的升温速率升至1600°C，保温2小时。⑤最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的Al2O3多孔陶
ο⑥将上述方法制备的多孔陶瓷采用阿基米德排水法测量气孔率，采用WAW-1000 微机控制电液伺服万能试验机测量其抗压强度，采用JSM-6390LV型扫描电子显微镜观察其微观结构。
1权利要求
1.一种采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法，其特征在于1)首先，取IOOg氧化铝粉、150g 300g蒸馏水、30gNa2SiO3 ·9Η20粘结剂、4g TiO2和 2. 5g CuO复合烧结助剂、2. 6g专用陶瓷粉水体系分散剂装入不锈钢球磨罐中，再加入650g 不锈钢磨球，然后在球磨机上进行充分球磨混合12小时配置成稳定的悬浊液；2)其次，将悬浊液装入连接真空泵的封闭容器中排除悬浊液在球磨过程中产生的气泡；3)将排除气泡后的悬浊液注入模具中，然后将模具置于-30°C -40°C的真空冷冻干燥机中冷冻使悬浊液完全冻结，再将冻结的悬浊液在真空状态下干燥后脱模，得到与成型模具相同形状的多孔Al2O3素坯；4)然后，将脱模的多孔Al2O3素坯放入高温箱式电炉中，以10°C/min的升温速率自室温升至1500°C 1600°C，保温2小时；5)最后，保温结束后，随炉自然冷却至室温，即得到具有特定结构的氧化铝多孔陶瓷。
2.根据权利要求1所述的采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法，其特征在于所述步骤1)球磨的机转速为600转/分，球磨过程采用间歇式球磨的方式，每球磨1小时，停止球磨机冷却1小时。
3.根据权利要求1所述的采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法，其特征在于所述的专用陶瓷粉水体系分散剂为HFXZ-802。
4.根据权利要求1所述的采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法，其特征在于所述的球磨机采用KQM-X4/B型行星式四头快速球磨机。
5.根据权利要求1所述的采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法，其特征在于所述的成型模具为圆柱状结构，模具材质为聚丙烯，厚度为2mm。
6.根据权利要求1所述的采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法，其特征在于所述的真空冷冻干燥机为LGJ-10D型。
7.根据权利要求1所述的采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法，其特征在于所述的氧化铝多孔陶瓷孔隙率大于50%，抗压强度大于9MPa。
全文摘要
一种采用冷冻干燥工艺制备具有复合结构氧化铝多孔陶瓷的方法，以冰晶为成孔模板，通过调控浆体浓度、冷冻温度获得多孔素坯，再经过高温烧结获得多孔陶瓷。整个过程无需任何造孔剂、有机添加剂，工艺过程简单，无任何污染，成本低，是一种可以制备定向、高气孔率和复杂结构多孔陶瓷的环保型工艺。其过程描述为在氧化铝粉体中加入蒸馏水、无机粘结剂、复合烧结助剂、分散剂，在室温下充分研磨后配置成悬浊液，再经过真空除气工艺后，将其注入到聚丙烯模具中，然后将悬浊液低温快速冻结，再经过真空冷冻干燥后，冰晶直接升华从而形成孔隙，然后放入高温箱式电炉中烧结，得到氧化铝多孔陶瓷。本发明将大大提高了多孔陶瓷的显气孔率和机械强度。
文档编号C04B38/00GK102432327SQ201110264530
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者冯小明, 张义明, 艾桃桃, 袁新强 申请人:陕西理工学院