超高孔隙率陶瓷是通过冻干法获得的。而获得冻干的超高孔隙率陶瓷的主要在配方和冻干工艺处理。
料液配方需平衡固相含量、分散性与粘结强度,核心组分与配比如下:
基础原料与固相含量
陶瓷粉末:选择高比表面积纳米粉体(如Al₂O₃、ZrO₂、SiC),粒径≤1μm,占比30-50vol%,确保浆料流动性。
固相含量控制:固相含量越低(如20-30vol%),孔隙率越高(可达95%),但需添加粘结剂增强结构强度。
功能添加剂
粘结剂:羟丙基甲基纤维素(HPMC)或聚乙烯醇(PVA),占比0.5-1.5%,提升坯体强度,防止干燥开裂。
分散剂:聚丙烯酸铵(NH₄PAA)或四甲基氢氧化铵(TMAH),占比0.6-0.8%,防止颗粒团聚,优化浆料均匀性。
造孔剂(可选):添加可分解聚合物微球(如聚苯乙烯),占比5-10%,进一步扩大孔隙率至98%。
浆料制备工艺
球磨混合:以200-1000r/min研磨20-60分钟,确保浆料均匀无团聚。
脱气处理:真空脱气(-0.095MPa)去除气泡,避免冻干后孔结构缺陷。
超高孔隙率陶瓷的冻干工艺需通过低温冻结与真空升华的协同作用,结合冰晶模板法实现孔隙结构调控。以下为关键设计要素:
溶剂选择与冰晶控制
水系溶剂(如水):形成薄片状孔隙结构,适用于低孔隙率需求(70-85%)。冰晶生长方向平行于温度梯度,可通过降低冷冻温度(如-40℃至-80℃)减小冰晶尺寸,提升孔隙均匀性。
非水系溶剂(如莰烯):形成树枝状连通孔隙,孔隙率可超90%。需在溶剂熔点以上(莰烯熔点约50℃)制备浆料,并通过梯度冷冻(如-20℃至-50℃)调控冰晶交联度,形成三维贯通孔道。
复合溶剂体系:混合水与有机溶剂(如乙二醇),平衡环保性与孔隙结构,适用于孔隙率80-95%的需求。
冷冻与升华参数优化
冷冻速率:快速冷冻(速率≥50℃/min)促进细小冰晶生成,孔隙直径可控制在1-50μm;慢速冷冻(≤5℃/min)形成大尺寸孔隙(50-200μm),但孔隙率降低。
真空度与温度梯度:升华阶段真空度≤10Pa,搁板温度逐步升高(如-30℃→+30℃),避免塌陷。结合振动辅助(2-10Hz)加速冰晶升华,减少干燥时间30%以上。
后处理工艺
烧结参数:烧结温度1400-1600℃,保温时间2-4小时,确保孔壁致密化与强度提升。低温烧结(1400℃)保留高孔隙率(>90%),高温烧结(1600℃)增强抗压强度(>20MPa)。