冷冻干燥法制备高孔隙率Al2O3多孔陶瓷及其性能研究

摘要

多孔材料具有密度低、孔隙率高、比表面积大、对液体和气体介质的选择透过性、热导率低和热稳定性好等特点。在实际的应用过程中可以作为高温隔热材料、废气过滤器、液体过滤器和压电材料等。
　　 本文选取高纯亚微米α-氧化铝粉和硅灰为原料,水作为料浆溶剂介质,明胶作为结合剂,糊精为稳泡剂,碳铵为发泡剂,聚苯乙烯球为造孔剂,通过搅拌获得均匀分布的陶瓷料浆。将制备的料浆浇注成型并通过冷冻干燥制备出具有较好机械强度的干燥陶瓷坯体。经烧结制得具有三维同向结构的Al2O3多孔陶瓷,研究烧结温度、造孔剂、固相含量对材料微观结构和性能的影响。通过抽真空法、扫描电镜、X射线衍射仪、机械强度试验、平板导热仪测量制各样品的体积密度、显气孔率、孔的微观形貌、晶相组成、耐压强度和抗折强度以及热导率。分析固相含量、气孔孔径大小、测试温度对材料热导率的影响。
　　 结果表明;有机物的分解温度区间为200℃～550℃;不同温度烧结后样品的主晶相都是刚玉;通过综合比较烧结之后样品的强度、线变化率、体积密度,确定最终的烧结温度为1300℃保温时间3小时。所制各样品完整无开裂、无分层缺陷存在,干燥收缩率小于2％,耐压强度和抗折强度分别为2.9MPa和0.9MPa(密度0.30 g·Cm-3、气孔率为81.7%、造孔剂粒径(0.5mm～0.8mm));耐压强度和抗折强度随着造孔剂粒径的增大而减小;造孔剂烧失所留下的孔分布均匀,孔壁密实,孔壁上几乎没有明显气孔的存在;采用粒径为(0.5mm-0.8mm)的造孔剂制备气孔率为83%的样品在1000℃的热导率为0.177w·m-1·k-1高温隔热效果非常好。冷冻干燥工艺制备多孔样品,具有工艺过程简单易于控制,气孔率易于控制,干燥收缩率低,素坯强度高,对环境无污染等特点。