一种制备多孔陶瓷材料的方法技术

一种制备多孔陶瓷材料的方法，采用高能激光束作为加热源，区域熔化共晶成分的氧化物复合材料预制体，通过精确控制激光功率和抽拉速率使熔体表面张力和自身重力保持平衡，实现熔区的稳定，同时向下抽拉试样使熔区快速冷却并连续凝固，在凝固过程中，炉腔内的氧气会溶解于悬浮熔体中，因为气体在固体中的溶解度远低于液体，所以当溶解了氧气的熔体凝固时会在固液界面析出氧气气泡，气泡因为表面张力吸附于固液界面，随着定向凝固进行，吸附的气泡被禁锢在固相中形成多孔结构，获得具备高度致密和均细化结构骨架的多孔氧化物共晶复合陶瓷材料。

A method of preparing porous ceramic materials

【技术实现步骤摘要】
一种制备多孔陶瓷材料的方法
本专利技术涉及多孔陶瓷材料制备领域，具体是采用激光悬浮区熔高梯度定向凝固方法制备高强度多孔共晶复合陶瓷材料。
技术介绍
多孔陶瓷材料具有低密度、较好的高温强度、高渗透性、吸波性、优秀的抗热震性和化学稳定性，因此在高温熔融金属和气体的过滤、隔热隔音、生物支架、催化剂载体、隐身和储能材料等多个领域展现出广阔的应用前景。专利“K.SchwartzwalderandA.V.Somers,MethodofMakingPorousCeramicArticles,USPat.No.3090094,May21,1963”首次提出了使用有机泡沫浸渍法制备多孔陶瓷，该方法工艺简单，生产成本低，便于实现工业化。然而受浸渍模板的限制，该方法无法制备小孔径闭口气孔制品，且形状受限，所制备的多孔陶瓷密度和强度不易控制。文献“SepulvedaandJ.G.P.Binner,ProcessingofCellularCeramicsbyFoamingandInSituPolymerisationofOrganicMonomers,J.Eur.Ceram.Soc.,19(12)(1999)2059–66”提出了一种直接发泡法，该方法可制备高孔隙率和较高强度的的多孔陶瓷，特别适合闭气孔陶瓷材料的制备，然而制备成型过程中难以严格控制发泡剂的添加量、发泡温度及发泡时间等工艺条件，容易出现大泡、坯体塌陷和孔径不均匀等现象。文献“S.Deville,E.Saiz,R.K.Nalla,A.P.Tomsia,Freezingasapathtobuildcomplexcomposites,Science311(2006)515–518”介绍了一种冷冻干燥法，该方法可制备具有定向层状孔隙形貌的多孔陶瓷材料，所制备样品的孔隙结构易于控制，强度较高，但是该方法需要对试样进行真空冷冻干燥处理，再通过烧结成型，制备成本高且周期长，降低了生产效率。文献“H.Shao,Y.He,J.Fu,D.He,X.Yang,J.Xie,C.Yao,J.Ye,S.Xu,Z.Gou,3Dprintingmagnesium-dopedwollastonite/b-TCPbioceramicsscaffoldswithhighstrengthandadjustabledegradation,J.Eur.Ceram.Soc.36(6)(2016)1495–1503”介绍了利用3D打印技术制备多孔陶瓷的新方法，3D打印技术因在成型方面的优势可以精确制备各种复杂外形的多孔陶瓷，非常适合用于生物支架材料，然而该方法不适合制备小尺寸孔隙的样品，而且普遍采用3D打印与烧结相结合的成型方式，制备得到的导致所制得的多孔陶瓷强度较低。目前，多孔陶瓷传统的制备需要排除预制体中的各种添加剂，制备流程繁琐且周期普遍较长。此外，采用烧结的方法来完成材料最终的成型，陶瓷多孔结构骨架内部存在孔隙，加上残留的添加剂杂质，极大的限制了多孔陶瓷强度(0.3～109MPa)，制约了其应用范围。因此，如何简化制备流程、提高材料强度已成为目前多孔陶瓷材料领域需要解决的首要问题。激光悬浮区熔是一种利用高能激光束对金属或非金属材料进行区域熔化与无界面快速热传导自淬火激冷快速定向凝固方法，因为具有熔炼温度高、温度梯度高、凝固速率控制精度高、材料和环境适应性广泛、无需坩埚无污染等特点，该方法一直被用于快速获得组织超细化，相分布均匀、取向精度高的金属或陶瓷复合材料。在高速定向凝固的过程中，初始坯体内部的孔隙会残留在熔融区域来不及排除，同时高温熔体会溶解空气环境中的氧气，凝固时重新析出，导致最终的凝固样品包含大量的气孔，这种气孔的形成机制为制备多孔陶瓷材料提供了可能。通过此方法可以快速制备多孔陶瓷材料，无需排除添加剂和后续烧结，大大简化制备流程。此外与烧结不同的是：在制备过程中，多孔陶瓷结构的骨架是预制体悬浮区熔直接凝固后得到，无添加剂且不需接触坩埚，试样纯净不含杂质且非常致密(相对致密度99.9％)，同时具备均匀微纳米共晶结构，可大幅提升材料强度。因此，相比传统的烧结法，激光悬浮区熔技术有潜力简单、快速的制备强度更高的多孔陶瓷材料。
技术实现思路
为克服目前传统烧结方法制备多孔陶瓷流程复杂、制备周期长的问题，并进一步提高多孔陶瓷结构骨架致密度，细化骨架结构组织，提升材料强度，本专利技术提出了一种制备多孔陶瓷材料的方法。本专利技术的具体过程是：步骤一，制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体：以纯度为99.99％的Al2O3、Y2O3和ZrO2氧化物粉末为原料，按Al2O3/Y2O3/ZrO2相图的共晶点配比，得到均匀的原料粉末；将得到原料粉末模压成型，得到Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体。制备所述Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体时，将所述原料与去离子水和聚氯乙烯混合，所述原料:去离子水:聚氯乙烯＝20:20:1，所述比例为质量比，得到混合物。将混合物置于氧化锆球磨罐中，采用行星球磨机以550r/min转速球磨5h后，置于80℃保温的干燥箱中干燥2h。对经过干燥的粉料过40目筛，得到均匀的原料粉末。制备所述Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体时，模压成型的压力为100MPa，保压3min，得到预制体坯料。将该预制体坯料在1500℃下保温烧结2h，完成Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体的制备。步骤二，氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固：所述预制体放入激光悬浮区熔定向凝固炉内。打开激光器，对该预制体进行加热并形成稳定悬浮熔区，所述激光功率为280～320W。启动抽拉机构，使试样棒以100～300μm/s的速率从上至下移动，实现对该预制体的连续定向凝固。得到长度为11mm、直径为3.8～4.5mm的棒状多孔Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合陶瓷材料。在所述定向凝固过程中保持向炉腔内注入氧气和/或氮气和氩气。在氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固时，将所述预制体的两端分别装夹在抽拉系统的上夹头和下夹头上，使预制体垂直于水平面。在关闭所有进气口和出气口后，对激光悬浮炉的炉腔抽真空处理，待真空度高于2Pa后，通过该激光悬浮炉的第一进气口7向炉腔内注入氧气；或者通过该激光悬浮炉的两个进气口同时向炉腔内注入氧气和氮气或氩气；氧气的充气压力为5MPa，氮气和氩气的充气压力为1～5MPa。在向炉腔内注入所述氧气和/或氮气和氩气后，打开激光悬浮炉的出气口，使注入的气体不停的流过炉腔，以此控制炉腔内氧气的含量占比。本专利技术采用280～320W高能激光束作为加热源，区域熔化共晶成分的氧化物复合材料预制体，通过精确控制激光功率和抽拉速率使熔体表面张力和自身重力保持平衡，实现熔区的稳定，同时以100～300μm/s的速度向下抽拉试样使熔区快速冷却并连续凝固，在凝固过程中，炉腔内的氧气会溶解于悬浮熔体中，因为气体在固体中的溶解度远低于液体，所以当溶解了氧气的熔体凝固时会在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备多孔陶瓷材料的方法，其特征在于，具体过程是：/n步骤一，制备Al

【技术特征摘要】
1.一种制备多孔陶瓷材料的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤一，制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体：以纯度为99.99％的Al2O3、Y2O3和ZrO2氧化物粉末为原料，按Al2O3/Y2O3/ZrO2相图的共晶点配比，得到均匀的原料粉末；将得到原料粉末模压成型，得到Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体；
步骤二，氧化物复合材料预制体的激光悬浮区熔定向凝固：所述预制体放入激光悬浮区熔定向凝固炉内；打开激光器，对该预制体进行加热并形成稳定悬浮熔区，所述功率为280～320W；启动抽拉机构，使试样棒以100～300μm/s的速率从上至下移动，实现对该预制体的连续定向凝固；得到长度为11mm、直径为3.8～4.5mm的棒状多孔Al2O3-YAG-ZrO2氧化物共晶复合陶瓷材料；
在所述定向凝固过程中保持向炉腔内注入氧气和/或氮气和氩气。


2.如权利要求1所述制备多孔陶瓷材料的方法，其特征在于，所述制备Al2O3-YAG-ZrO2共晶成分的氧化物复合材料预制体时，将所述原料与去离子水和聚氯乙烯混合，所述原料:去离子水:聚氯乙烯＝20:20:1，所述比例为质量比，得到混...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏海军，赵迪，郭敏，张军，刘林，傅恒志，余明辉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61