冷凍鑄造法制備多孔陶瓷

何俊升 馮小明 艾桃桃

（陜西理工學院材料學院，陜西漢中723003）

冷凍鑄造法制備多孔陶瓷

何俊升 馮小明 艾桃桃

（陜西理工學院材料學院，陜西漢中723003）

以硅溶膠為粘結劑，采用冷凍鑄造法制備多孔Al2O3陶瓷，用掃描電鏡（SEM）觀察結構，并測量氣孔率和抗壓強度。結果表明：通過調整工藝參數，氣孔率可控制在13%～35%之間，并形成了片層狀結構。隨漿體濃度的增大，氣孔率降低，抗壓強度增大。當氣孔率達13%時，抗壓強度為92MPa。當漿體濃度低于30%時，隨燒結溫度升高，氣孔率先增大后減小；當漿體濃度大于30%時，隨燒結溫度升高，氣孔率逐漸降低。抗壓強度隨燒結溫度的升高先增大后減小。

冷凍干燥，氣孔率，抗壓強度

1 前言

多孔陶瓷是一種經高溫燒成、體內具有大量彼此相通或閉合氣孔的結構的陶瓷材料，具有低密度、高滲透率、抗腐蝕、耐高溫及良好隔熱性能等優點的新型功能材料[1]。它的主要功能在于巨大的氣孔率、氣孔表面以及可調節的氣孔形狀，氣孔孔徑及其在三維空間分布、連通等，具有一定的強度、形狀和其它陶瓷基體的性能。以及主要利用其巨大的比表面積和獨特的物理表面特性，對液體、氣體介質具有選擇透過性，能量吸收或阻尼特性[2]和優良熱、電、磁、光、化學等功能的高新技術無機非金屬材料等[3]。因此，多孔材料引起了材料科學工作者的極大興趣并在世界范圍內掀起了研究熱潮[4]。

目前，制備多孔陶瓷的方法有：有機泡沫浸漬法、添加造孔劑法、發泡法、溶膠-凝膠法、化學氣相滲透或沉積法、仿生合成法等[5-6]。有機泡沫浸漬法制備多孔陶瓷，其孔尺寸主要取決于有機泡沫體的孔尺寸，制品形狀密度不易控制，且有機物燃燒會污染環境；添加造孔劑法制備多孔陶瓷，其氣孔分布均勻性差，不適合制備高氣孔率的制品；發泡法對原組分選擇要求高，工藝條件不易控制；溶膠-凝膠法由于使用超臨界干燥設備昂貴，制備成本高；化學氣相滲透或沉積法工藝要求嚴格，孔形態不易控制，能量消耗大；仿生合成法主要以植物的天然多孔組織為模板，通過滲透反應制得多孔陶瓷，但需去除生物模板，工藝繁多且復雜，不易推廣。

冷凍鑄造法使我們最容易想到北方人發明的“凍豆腐”。凍豆腐是由新鮮豆腐冷凍而成，孔隙多、彈性好。冷凍鑄造法可以說源于生活，亦高于生活，為我們提供了一種制備多孔陶瓷的新途徑和新理念。它是以冰為模板，通過冰晶沿著陶瓷顆粒延伸，經過干燥后使冰晶得到升華，再進行燒結后得到多孔陶瓷樣品。該方法對環境無任何污染[7]，無需添加有機或無機化學有害物質。本文以硅溶膠為粘結劑，采用冷凍干燥法制備多孔Al2O3陶瓷。

2 實驗方法

將90gAl2O3粉末（過325目）分別加入20ml、30ml、40ml硅溶膠溶液中，對應的漿體濃度為：40%、30%、20%。用電磁攪拌器攪拌2h，然后將攪拌好的漿料注入簡易的模具內，放入LG-10D冷凍干燥機進行冷凍干燥，冷凍溫度為-20℃、-30℃、-40℃，冷凍規定時間后，進行真空干燥至徹底，然后脫模得到坯樣，在高溫箱式電爐中進行燒結，溫度分別為1500℃、1550℃、1600℃，保溫時間為2h，保溫完畢后隨爐自然冷卻得到多孔陶瓷樣品。

樣品經表面噴金后，用JSM-6390LV掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌。通過阿基米德排水法測量氣孔率。在WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機上測量抗壓強度。

3 實驗結果與討論

3.1 漿體濃度對氣孔率孔結構的影響

圖1表示Al2O3多孔陶瓷的漿體濃度與氣孔率關系，從圖中可見：在燒結溫度1550℃和1600℃下，隨著漿體濃度的增加，氣孔率呈現十分平緩的趨勢，當燒結溫度為1500℃時，漿體濃度到20%時，氣孔率最大為35%。隨著燒結溫度升高，到1600℃時，漿體濃度的增加到40%時，其氣孔率最小為10%。可能的原因是當漿體濃度升高時，使水分降低，所以冰晶升華后所剩下的孔隙就比較小。

圖2為Al2O3的多孔陶瓷的漿體濃度與抗壓強度的關系，其結果如圖所示。試樣的抗壓強度隨著漿體濃度的增加而增加，呈現上升的趨勢，當燒結溫度為1550℃時，漿體濃度增加到40%時，抗壓強度最大為92Mpa，隨著燒結溫度的增加，當燒結溫度增加到1600℃時，漿體濃度為20%時，其試樣的抗壓強度最小為56Mpa。原因是當漿體濃度增加時，氣孔率減少，粉體堆積的越密集，導致水分降低，孔隙率變化的就越小，結構愈緊湊，抗壓強度增加。

3.2 燒結溫度對氣孔率、孔結構的影響

圖3表示燒結溫度對Al2O3多孔陶瓷氣孔率的影響，從圖中可以看出，不同的燒結溫度對氣孔率的影響，隨著燒結溫度的增加，氣孔率減少。當燒結溫度在1500℃時，漿體濃度為20%，其氣孔率最大為35%。漿體濃度增加到40%時，燒結溫度在1600℃下，其氣孔率最小為10%。變化歸結為燒結溫度升高時，試樣致密，所形成的孔隙小，隨著溫度的升高，晶粒逐漸長大，細小的晶粒變的越密集，層片間距就越小。

圖4為燒結溫度對Al2O3多孔陶瓷氣孔率的影響。由圖可見，隨著燒結溫度的升高，同一漿體濃度1600℃燒結后較1500℃燒結后的抗壓強度都低。當漿體濃度在40%，燒結溫度為1550℃時，其抗壓強度最大為92Mpa；當漿體濃度在20%，燒結溫度在1600℃時，其抗壓強度最小為56Mpa。可能的原因有：（1）多孔陶瓷的孔隙率隨著燒結溫度的升高而減少，導致抗壓強度降低；（2）隨著溫度的升高，晶粒逐漸長大，細小的晶粒互相粘結形成較大的晶粒。晶粒長大會導致材料強度降低，并造成一些氣孔的填充，使得結構更加致密，隨著燒結溫度的升高，當到1600℃左右時，晶粒長大引起材料強度的降低比孔隙率減小造成強度的升高多一些。

3.3 冷凍溫度下對結構的影響

圖5a-c為漿體濃度20%的樣品分別于（a）-20℃（b）-30℃（c）-40℃冷凍干燥后，于1550℃燒結后樣品的SEM照片。由圖可見，不管溫度較高，還是冷凍溫度較低，都形成了層片狀結構，其中深色條紋為冰晶排除后留下的孔洞，亮色條紋是固相顆粒在冰晶間重新排列形成的層片狀的孔壁。當冷凍溫度降低時，冰晶的長大受到限制，使片層間距較大，隨著冷凍溫度的升高，片層間距減小，層與層之間通過陶瓷顆粒連接。由于水分在充分冷卻過程中，漿體中的水分達到過冷狀態，形成大量微小的冰晶，冰晶升華后形成非常細小的層片狀結構。

3.4 漿體濃度對孔結構的影響

圖6a-c分別為不同漿體濃度于-30℃冷凍干燥后，于1600℃燒結后得到的多孔陶瓷的SEM照片，由圖可見，漿體濃度為20%的樣品具有有序的層片狀結構，孔道基本相互平行，孔道和孔道之間由陶瓷顆粒搭橋，隨著漿體濃度的增加，孔道有序性變差；當漿體濃度為40%時，層片間距變小，孔道分布呈放射狀，孔壁上亦存在更小的微孔。由此可見，隨漿體濃度的增大，由于固相顆粒的存在，冰晶體生長受到了限制，生長阻力變大，不能充分長大，故而層間距減小。圖中深色的孔道是由冰晶升華而形成的。

4 結論

本文以硅溶膠為粘結劑，采用冷凍干燥法制備了片層狀多孔Al2O3陶瓷。通過調整工藝參數，氣孔率可控制在當氣孔率達13%～35%時，隨漿體濃度的增大，氣孔率降低，抗壓強度增大。當氣孔率為35%時，抗壓強度為56MPa。當漿體濃度低于30%時，隨燒結溫度的升高，氣孔率先增大后減小；當漿體濃度大于30%時，隨燒結溫度的升高，氣孔率逐漸降低。抗壓強度隨燒結溫度的升高先增大后減小。

1曾漢民.高技術新材料要覽.北京:中國科學技術出版社,1993

2張守梅,曾令可等.環保吸聲材料的發展及展望.陶瓷學報, 2002,23(1)

3段曦東.多孔陶瓷制備、性能及應用.陶瓷研究,1999,14(3): 13～17

4 Peter Greil.Advanced Engineering Ceramics.Adv Mater, 2002,14(10):709～716

5曾令可,胡動力,稅安澤等.孔陶瓷制備新工藝及其進展.中國陶瓷,2008,44(7):7～11

6 Chengzhang Li and Junhui He.Easy replication of pueraria lobata toward hierarchically ordered porousγ-Al2O3Langmuir, 2006,22:2827～2831

7 H.Nishihara,Shin R.Mukai,D.Yamashita,et al.Ordered macroporous silica by ice templating.Chem.Mater.,2005,17 (3):683～689

Abstract

Porous alumina ceramics were fabricated by freeze casting process using silica solution as binder.The microstructures of the samples were observed by SEM,and the porosity and the compressive strength were also investigated.The results indicated that the porosity can be changed from 13%to 35%by controlling the process parameters, and SEM presents the laminar structure.The porosity is decreasing and the compressive strength is increasing with the slurry concentration increasing.When the porosity is 13.56%,the compressive strength is 92MPa.When the slurry concentration is lower than 30%,the porosity is first increased and then decreased with the sintering temperature increasing. When the slurry concentration is more than 30%,the porosity is decreasing gradually with the sintering temperature increasing.The compressive strength is first increasing then decreasing with the sintering temperature increasing.

Keywords freeze-drying process,porosity,compressive strength

POROUS CERAMICS PREPARED BY FREEZE-CASTING PROCESS

He Junsheng Feng Xiaoming Ai Taotao
(School of Materials Science and Engineering,Shanxi University of Technology,Hanzhong Shanxi 723003,China)

TQ174.75

A

1000-2278（2010）04-0551-04

2010-07-22

陜西高校省級重點實驗室科研項目

馮小明，E-mail:fxmhz@126.com