多级孔结构的氧化锆多孔陶瓷的制备及性能研究

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氧化锆多孔陶瓷在高温下仍有较低的热导率、较高的热稳定性和化学稳定性,在高温隔热领域有着广泛应用。氧化锆多孔陶瓷的有效热导率和力学性能不仅受材料孔隙率的影响,孔隙结构(孔隙尺寸和分布)也起着重要作用。为了进一步研究孔隙结构对多孔陶瓷性能的影响,本论文制备了一种氧化锆多孔中间体,并研究了以其为原料制得的多孔陶瓷块体的微观形貌和性能。本论文首先以溶胶-凝胶法为基础,结合添加造孔剂法,改变溶胶-凝胶阶段的工艺参数和造孔剂(聚苯乙烯微球)的添加条件,制备Zr O2多孔中间体;以Zr O2多孔中间体为原料进行凝胶注模成型及热处理后,得到具有“微米—亚微米—纳米”多级孔结构的氧化锆多孔陶瓷块体;利用扫描电子显微镜、阿基米德排水法、电子万能试验机和激光导热仪分别测试了多孔陶瓷的孔隙结构、体积密度、抗压强度和室温热导率。主要结论归纳如下:(1)溶胶-凝胶法在醇水质量比为6:1、锆盐浓度为0.5-1.5 mol/L、聚丙烯酸(PAA)为5-10 wt.%和反应温度60°C的工艺条件下,凝胶时间短,制得的湿凝胶成分均匀且强度较高。同时添加微米和纳米尺寸的聚苯乙烯(PS)微球各5 wt.%的湿凝胶经700℃热处理后,形成Zr O2多孔中间体,其骨架晶粒细小,尺寸均一,约为35 nm。多孔中间体因造孔剂的去除而形成的亚微米孔隙和纳米孔隙的孔径分别约为0.71μm和40 nm,还有部分纳米孔隙来自于骨架材料晶粒的搭接。(2)以平均粒径为0.98μm的PS微球为造孔剂,制得ZrO2多孔中间体,以多孔中间体为原料进行凝胶注模成型,经1100℃热处理后得到具有多级孔结构的氧化锆多孔陶瓷块体,当中间体固含量为15 wt.%和20 wt.%时,多孔陶瓷块体的总孔隙率分别为66.4%和69.7%,最大孔径均小于8μm。氧化锆多孔陶瓷块体不仅保留了其原料(Zr O2多孔中间体)的亚微米及纳米孔隙,还增加了成型过程(凝胶注模工艺阶段)产生的微米孔隙。同时添加微米(0.98μm)和纳米(99.12 nm)尺寸的聚苯乙烯(PS)微球为造孔剂,制备Zr O2多孔中间体,中间体的固含量为15 wt.%时最终制得的多孔氧化锆陶瓷块体有更高的气孔率(72.3%)。(3)实验制得的氧化锆多孔陶瓷块体的室温热导率随着气孔率的增加而降低,范围为0.272-0.362 W/(m·k);抗压强度随气孔率增加而降低,范围为7.27-15.37 MPa。热导率实验值介于Maxwell-Eucken 1模型和有效介质理论(EMT)推导出的热导率理论值之间,并且获得了通用模型的拟合参数。
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