专利名称：一种微米－纳米多孔材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微米—纳米多孔材料的制备方法，适合用于制备Al2O3、SiC、Si3N4、mullite、TiO2、Sialon、堇青石、粘土、高岭土、尖晶石等为代表的多孔陶瓷厚膜材料和体材料，属于陶瓷材料的制备技术领域。
背景技术：
陶瓷浆料成型已被广泛地应用于制备陶瓷部件，如注浆成型，流延成型，直接凝固成型，挤出成型等。但是，这些工艺往往被用于制备致密的块体材料。随着工业技术的发展，环境保护问题越来越突出，汽车尾气、工业废气、废渣、废水、烟尘的排放严重影响了人们的日常生活，并成为亟待解决的问题。由於陶瓷材料具有优异的耐高温、抗氧化性能，所以各种不同孔径的多孔陶瓷材料已被广泛地应用于汽车尾气、烟尘、废水的过滤器、催化剂载体等高新技术领域。然而，多孔陶瓷材料的制备工艺还具有一定的局限性，通常为了得到多孔陶瓷材料，在制备过程中必须加入大量的造孔剂，而这些造孔剂通常是有机聚合物，它们在烧结过程中被烧掉，从而留下孔洞。这类工艺有很大的局限性，在脱脂过程中，有机聚合物分解产生大量的有毒有害气体，对环境造成严重的污染。另外，造孔剂很难均匀地分散在陶瓷粉体中，造成孔洞的不均匀分布，而且材料的孔径的大小一般由造孔剂的大小决定，在一定程度上限制了多孔材料的制备。并且很难得到定向排列的多孔陶瓷。
发明内容
本发明的目的是发明一种不用造孔剂就能得到定向排列、多孔的微米—纳米多孔材料的制备方法。
为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种微米—纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，利用浆料中的介质水或有机溶剂作为陶瓷材料的造孔剂，利用温度诱导作用，使介质水或有机溶剂在低于0摄氏度的条件下凝固，然后利用冷冻干燥工艺使之升华，升华后留下均匀一致的孔洞，从而得到多孔陶瓷材料，其工艺流程为(1)陶瓷浆料的制备，其重量的百分配比为陶瓷粉体5wt％-90wt％分散剂 0.1wt％-5wt％烧结添加剂 1wt％-20wt％溶剂5wt％-90wt％将介质水或有机溶剂和分散剂混合均匀，陶瓷粉体、烧结添加剂按重量配比称取后与溶液混合，然后球磨10-30小时。
(2)素坯成型将混合好的陶瓷浆料倒入模具中放进冷冻箱冷冻成型，冷冻温度在0℃以下；(3)冷冻干燥把冻结的陶瓷坯体转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到具有定向排列的，分布均匀的多孔坯体；(4)坯体的烧结将干燥后的陶瓷坯体放入烧结炉进行烧结，烧结的温度为600℃-2000℃得到微米—纳米多孔陶瓷材料。
所述的分散剂为高分子有机聚合物及其盐类，可以为聚丙烯酸及其铵、钠、钾盐；所述的烧结添加剂为MgO、SiO2、Al2O3或Y2O3；所述的溶剂为蒸馏水或有机溶剂；所述的有机溶剂可以为乙醇、丙醇或异丙醇；所述的水基陶瓷浆料的固含量在5-90wt％之间；所述的微米—纳米多孔陶瓷材料的孔径分布在0.001μ-100μ之间；所述的微米—纳米多孔陶瓷材料具有2种以上孔径分布的多孔结构。
本发明利用浆料中的介质水或有机溶剂作为陶瓷材料的造孔剂，不仅避免了使用传统有机颗粒造孔剂给环境带来的极大污染，而且制得的多孔陶瓷具有孔径大小一致、分布均匀的特点，气孔孔径可以通过控制陶瓷浆料的固体含量实现连续可调。
本发明利用温度诱导作用，改变陶瓷浆料中第二相(水或者有机溶剂)的相状态，使溶剂固化，然后通过固体-气体的升华过程除去溶剂，溶剂除去后在坯体中留下非常均匀的孔洞，利用冷冻干燥成型工艺，最后通过烧结得到多孔材料。
本发明的优点是不使用任何造孔添加剂就能制备出孔径可任意调控的、均匀的、高气孔率的厚膜和体材料，并且可以制备定向排列的具有2种以上孔径分布的多孔材料。工艺简单实用，工艺条件容易控制。
图1为一种微米—纳米多孔材料的制备方法工艺流程图；图2为实施例1微米—纳米多孔材料显微结构图；图3为实施例2微米—纳米多孔材料显微结构图；图4为实施例3微米—纳米多孔材料显微结构图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1如图1所示，为一种微米—纳米多孔材料的制备方法工艺流程图，所述的一种微米—纳米多孔材料的制备工艺为(1)陶瓷浆料的制备将蒸馏水27份和分散剂1份混合均匀，然后加入粒径0.8微米的Al2O3陶瓷粉体70份、烧结添加剂2份，球磨24小时；(2)素坯成型将混合好的陶瓷浆料倒入模具中放进冷冻箱冷冻成型，冷冻温度控制在-20℃；(3)冷冻干燥把冻结的陶瓷坯体转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到具有定向排列的、分布均匀的多孔坯体；(4)坯体的烧结将干燥后的陶瓷坯体放入烧结炉进行烧结，烧结的温度为1500℃，得到气孔率为65％的多孔氧化铝多空陶瓷，如图2所示，为多孔陶瓷的显微结构照片，从照片中可看出多孔陶瓷材料1的孔径2分布在0.001μ-100μ之间，且具有2种孔径分布，图2中1为微米孔，2为纳米孔。
实施例2(1)陶瓷浆料的制备；将蒸馏水10份和分散剂0.5份混合均匀，然后加入粒径0.8微米的Al2O3陶瓷粉体87.5份、烧结添加剂2份，球磨24小时；(2)素坯成型将混合好的陶瓷浆料倒入模具中放进冷冻箱冷冻成型，冷冻温度控制在-20℃；(3)冷冻干燥把冻结的陶瓷坯体转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到具有定向排列的、分布均匀的多孔坯体；(4)坯体的烧结将干燥后的陶瓷坯体放入烧结炉进行烧结，烧结的温度为1300℃，得到气孔率为60％的多孔氧化铝陶瓷，如图3所示，为该多孔陶瓷的显微结构照片，从照片中可看出多孔陶瓷材料1的孔径2分布在0.001μ-100μ之间，且具有2种孔径分布，图3中3为微米孔，4为纳米孔。
实施例3(1)陶瓷浆料的制备；将蒸馏水17.5份和分散剂0.5份混合均匀，然后加入粒径0.8微米的Al2O3陶瓷粉体80份、烧结添加剂2份，球磨24小时；(2)素坯成型将混合好的陶瓷浆料倒入模具中放进冷冻箱冷冻成型，冷冻温度控制在-20℃；(3)冷冻干燥把冻结的陶瓷坯体转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到具有定向排列的、分布均匀的多孔坯体；(4)坯体的烧结将干燥后的陶瓷坯体放入烧结炉进行烧结，烧结的温度为1100℃，得到气孔率为80％的多孔氧化铝陶瓷，如图4所示，为该多孔陶瓷的显微结构照片，从照片中可看出多孔陶瓷材料1的孔径2分布在0.001μ-100μ之间，且具有2种孔径分布，图4中5为微米孔，6为纳米孔。该材料是具有明显的定向排列多孔体。
权利要求
1.一种微米—纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，利用浆料中的介质水或有机溶剂作为陶瓷材料的造孔剂，利用温度诱导作用，使介质水或有机溶剂在低于0摄氏度的条件下凝固，然后利用冷冻干燥工艺使之升华，升华后留下均匀一致的孔洞，从而得到多孔陶瓷材料，其工艺流程为(1)陶瓷浆料的制备，其重量的百分配比为；陶瓷粉体5wt％-90wt％分散剂 0.1wt％-5wt％烧结添加剂 1wt％-20wt％溶剂5wt％-90wt％将溶剂和分散剂混合均匀，陶瓷粉体、烧结添加剂按重量配比称取后与溶液混合，然后球磨10-30小时。(2)素坯成型将混合好的陶瓷浆料倒入模具中放进冷冻箱冷冻成型，冷冻温度在0℃以下；(3)冷冻干燥把冻结的陶瓷坯体转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到具有定向排列的、分布均匀的多孔坯体；(4)坯体的烧结将干燥后的陶瓷坯体放入烧结炉进行烧结，烧结的温度为600℃-2000℃得到微米—纳米多孔陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的一种微米—纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的分散剂为高分子有机聚合物及其盐类，可以为聚丙烯酸及其铵、钠、钾盐。
3.根据权利要求1所述的一种微米—纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的烧结添加剂为MgO、SiO2、Al2O3或Y2O3。
4.根据权利要求1所述的一种微米—纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的溶剂为蒸馏水或有机溶剂。
5.根据权利要求4所述的一种微米—纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂可以为乙醇、丙醇或异丙醇。
6.根据权利要求1所述的一种微米—纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的水基陶瓷浆料的固含量在5-90wt％之间。
7.根据权利要求1所述的一种微米—纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的微米—纳米多孔陶瓷材料的孔径分布在0.001μ-100μ之间。
8.根据权利要求1所述的一种微米—纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的微米—纳米多孔陶瓷材料具有2种以上孔径分布的多孔结构。
全文摘要
本发明涉及一种微米－纳米多孔材料的制备方法，其特征在于，其工艺流程为陶瓷浆料的制备；陶瓷粉体5wt％－90wt％、分散剂0.1wt％－5wt％、烧结添加剂1wt％－20wt％、溶剂5wt％－90wt％，将蒸馏水和磨好的分散剂混合均匀，然后加入陶瓷粉体和烧结添加剂球磨；将混合好的陶瓷浆料倒入模具中放进冷冻箱冷冻成型；把冻结的陶瓷坯体转移到冷冻干燥机中进行冷冻干燥；将干燥后的陶瓷坯体放入烧结炉进行烧结，得到微米－纳米多孔陶瓷材料。本发明的优点是不使用造孔添加剂就能制备出孔径可任意调控的、均匀的、高气孔率、定向排列的具有2种以上孔径分布的多孔材料，其工艺简单实用，工艺条件容易控制。
文档编号C04B38/00GK1686949SQ200510025020
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月11日 优先权日2005年4月11日
发明者曾宇平, 曹剑武 申请人:曾宇平, 曹剑武