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多孔氧化铝陶瓷的制备技术

时间:2022-05-08 19:56:54  来源:  作者:

1.有机泡沫浸渍法

有机泡沫浸渍法是利用具有一定三维网络结构的多孔聚合材料作为载体,通过在预先磨制、混合均匀的陶瓷浆料中反复浸渍,获得吸浆饱和,浆料中颗粒均匀附着在网状结构上的多孔有机载体,再将有机载体通过高温烧制,排除聚合物,留下形状与有机载体相应的多孔陶瓷预制件。通过该技术制备所得的多孔陶瓷具有孔隙率高,可达70%90%,比表面积大、热膨胀系数小、尺寸稳定性高,还可通过选择不同有机材料对多孔陶瓷的微观结构与形貌进行调整。

该制备工艺的关键在于以下几个方面,包括有对有机载体的选择及其预处理、对陶瓷浆料的制备、有机载体的浸渍、坯体干燥与烧成等,其中以对有机载体的选择以及预处理最为重要。对于有机载体的选择必须满足几个条件,首先是有机材料本身的气化温度必须低于陶瓷材料的烧成温度,其次还需具有一定的亲水性和材料可回弹性等,目前常用的有机载体包括有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(EPS)、海绵、乳胶等。浆料的组成则包括有陶瓷粉料、溶剂以及外加剂。溶剂可分为无机溶剂(如水等)与有机溶剂(如乙醇等),浆料制备的成功与否在于对浆料固相含量以及触变性等浆料性能的把握,需要保证不仅有利于陶瓷成型,同时还要保证制品的性能。有机载体的浸渍常用方法有常压吸附法、真空吸附法、机械滚压法、手工揉搓法等。在对有机载体挤压排出空气后进行反复浸渍,要求浆料能够充分涂覆在载体上,将多余的浆料挤出后进行干燥至含水率低于 1%,即可入窑烧成。而在烧成过程中,需要根据有机载体的热重分析曲线(TG曲线)对烧结温度进行制定,缓慢升温使有机载体缓和而充分地排除,烧成温度则有陶瓷本身决定,一般在 1000℃1700℃

有机泡沫浸渍法工艺简单,操作简便,成本低廉,无需复杂设备,适宜大量生产,但该方法生产的陶瓷产品性能受陶瓷材料和有机载体影响较大,这是由于陶瓷浆料中的颗粒很难进入有机材料内部的孔隙中,导致生产出的多孔陶瓷孔径较大,材料强度不高,容易在后期金属浸渍时发生坍塌。

2.直接发泡法

发泡法是一种通过对陶瓷浆料引入有机或无机类发泡剂(有机类发泡剂为纤维、高分子聚合物、有机酸等;无机类发泡剂为碳化钙、氢氧化钙、双氧水等)、泡沫稳定剂以及催化剂等添加剂,利用物理手段或化学手段,使添加剂在陶瓷浆体中反应生成大量易挥发气体并形成泡沫,经过干燥、烧成后制得具有网络结构的陶瓷制品的方法。与有机泡沫浸渍法相比,发泡法制备得的陶瓷孔径较小,闭口气孔率高,易于获取所需孔径尺寸,通过控制发泡剂的用量和发泡时间等因素即可实现。但是由于尚无方法可以有效控制气体状态,导致气孔大小不匀称,气孔密度不一致。

3.冷冻干燥法

冷冻干燥法是一种基于物相转变制备多孔陶瓷的技术。其关键在于通过冷冻技术将陶瓷浆料由液相转变为固相,再通过减压将原本浆料中的溶剂部分从固相转变为气相排除,剩余溶质形成具有联通孔结构的多孔陶瓷。在该工艺中,一般采用水作为造孔剂,且引入的外加剂较少,不容易对环境造成污染。陶瓷浆料的浓度是决定材料孔隙率高低的主要因素,即可以通过调整固相含量实现对坯体孔隙率的精确控制,适合应用于高定向、高气孔率多孔陶瓷的制备,例如生物植入材料、催化剂载体、压电传感器等方面。

4.部分烧结法

部分烧结法是通过控制陶瓷的烧结进程,使本应在表面扩散和蒸发-凝聚传质驱使下达到完全致密化的环节被提前终止,从而使得陶瓷基体内部形成均质的多孔结构。其中原料的粒径和对部分烧结掌控的程度是决定陶瓷孔径尺寸和孔隙率的关键因素。

5.添加造孔剂法

添加造孔剂法是在陶瓷生坯制备过程中加入固态造孔剂,通过在后续工艺中利用物理或化学方法去除造孔剂并在其位置上形成孔洞,最终在陶瓷基体中形成多孔网络结构。常用的造孔剂主要可分为两大类,其一为以高温可分解盐类,如氯化铵等,以及通过高温氧化产生气体,如 SiC、各类碳粉为代表的无机造孔剂;另外一类则是有机造孔剂,如淀粉、松木粉等。添加造孔剂法的优点在于其简单、经济、制备获得的多孔陶瓷孔隙率也较高,传统的造孔剂的来源广泛、价格低廉、容易获取。添加造孔剂法的缺点也较为突出,一般引入造孔剂之于陶瓷本身原料属于第二相,难以在陶瓷内部完全混合匀,极易导致材料性质的不均匀,材料组份的偏离,恶化材料性能。

6.凝胶注模成型

凝胶注模成型工艺是在陶瓷浆体中引入有机单体和交联剂,在有机单体聚合反应和交联剂的交联作用下,使陶瓷浆体原位凝固形成坯体,而为了加速反应进程,通常还会在浆体中加入催化剂和引发剂。利用凝胶注模成型获得的坯体结构均匀、强度高,可进行一定的机械加工。

7.溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是一种基于溶胶-凝胶基本原理,利用凝胶化过程中凝胶粒子的堆积及凝胶处理、热处理过程中留下的小气孔,或是陶瓷中添加的有机泡沫烧失后的多孔骨架制备孔结构可控的多孔陶瓷的一种工艺技术。这种方法常被用于微孔陶瓷、膜材料的制备,其制备工艺简单,模具制备方便、孔径分布也较宽,膜厚可以得到精确控制。


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