CN105645987A - 一种电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法，将多孔陶瓷坯体升温至合适的温度，然后加上合适的电场强度，可实现陶瓷的快速烧结。可以根据不同的多孔陶瓷材料选择不同的电场强度条件。电场能激发物质的传输过程，提高粒子活度和扩散迁移速率，使陶瓷颗粒迅速烧结，能有效的降低烧结温度和烧结时间。这种电场辅助低温快速烧结的方法能获得高强度和高气孔率的多孔陶瓷。

Description

一种电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法
技术领域
本发明属于多孔陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法。
背景技术
多孔陶瓷材料是指在成型与烧结过程中形成大量孔洞的无机非金属材料。多孔陶瓷含有很多相互连接紧密的气孔，按照孔的结构可以分为闭气孔型、开气孔型和贯通气孔型三大类。多孔陶瓷具有热导率低、气孔率高、高温稳定性好、物理化学稳定性等优异性能，已经普遍应用于能源化工、过滤分离、催化剂载体、隔热保温和航空航天等领域。
多孔陶瓷的应用是以高气孔率为基础的，当提高陶瓷的气孔率时，可获得优异的多孔性能，但是强度的降低会限制它的应用。因此，在高强度和高气孔率之间如何选择来保证陶瓷的性能，将很大程度上影响着多孔陶瓷的应用。常用的方法有很多，比如改变生坯的制备工艺，调节陶瓷颗粒的尺寸和孔径的大小等方法，如在专利CN103588482A中公布了一种通过发泡法注凝工艺制备高气孔率及高强度钇硅氧多孔陶瓷的方法，最后在1500℃～1550℃下进行1.5～2.5小时的高温反应烧结；在专利CN104130004A中公布了一种高强度块状多孔氧化铝纳米陶瓷的制备方法，成型后的坯体在800℃～1000℃下保温2小时烧结。在专利US19884777153A中公开了一种通过控制孔的微观结构制备多孔陶瓷的方法，通过调节孔径大小和孔的分布，在1300℃～1500℃下烧结成型，能提高陶瓷的强度。以上提及的高强度或高气孔率的多孔陶瓷制备方法，有一个共同的特点，即高温长时间烧结多孔陶瓷。
然而，陶瓷的烧结是一个持续的致密化过程，在传统的烧结方法中，烧结温度越高，烧结时间越长，其致密化程度越大，机械性能越好，但是会面临一个严峻的问题，即降低气孔率，影响多孔陶瓷的性能。如何控制陶瓷的烧结过程，降低烧结温度，大大缩短烧结时间，实现低温快速烧结，获得高强度高气孔率的多孔陶瓷，这在拓展多孔陶瓷的应用领域方面显得尤为重要。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法，采用的方法是电场辅助烧结，根据不同材质的多孔陶瓷坯体，可选择不同的电场条件。解决的技术问题是如何低温快速烧结多孔陶瓷并使其具有较高强度和较高气孔率。
技术方案
一种电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将含有气孔的陶瓷坯体加热到临界温度；所述临界温度为在施加电场强度的条件下恰好发生快速烧结的温度；
步骤2：对陶瓷坯体施加一个电流形成临界电场，并且持续≥10s，小于20min的时间完成多孔陶瓷的烧结；所述临界电场是能发生快速烧结的电场强度。
所述含有气孔的陶瓷坯体的气孔率为70％～90％。
所述临界温度T为：300℃≤T≤1200℃。
所述电场强度E为：5V/cm≤E≤500V/cm。
所述施加电流密度J为：5mA/mm2≤J≤1A/mm2。
有益效果
本发明提出的一种电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法，将多孔陶瓷坯体升温至合适的温度，然后加上合适的电场强度，可实现陶瓷的快速烧结。可以根据不同的多孔陶瓷材料选择不同的电场强度条件。电场能激发物质的传输过程，提高粒子活度和扩散迁移速率，使陶瓷颗粒迅速烧结，能有效的降低烧结温度和烧结时间。这种电场辅助低温快速烧结的方法能获得高强度和高气孔率的多孔陶瓷。
本发明中，由于(1)在外电场的作用下，电场的焦耳热和质量传输效应，提高了粒子活度和扩散迁移速率，加快了反应进程，提高了反应速度。(2)临界电场恰好能激发物质的传输过程，使陶瓷颗粒迅速烧结，但又不会因电场强度过高导致粒子的扩散速率过快。该方法在保证多孔陶瓷气孔率的前提下，能有效地提高其强度，适用于氧化锆、氧化铝及其复合材料等离子化合物材料。
附图说明
图1为实例1所制备的氧化锆多孔陶瓷截面高倍显微照片；
图2为实例2所制备的氧化锆多孔陶瓷截面高倍显微照片；
图3为实例3所制备的氧化锆多孔陶瓷截面高倍显微照片；
图4为实例4所制备的氧化锆多孔陶瓷截面高倍显微照片；
图5为实例5所制备的氧化锆多孔陶瓷截面高倍显微照片。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1
1)将气孔率为70％～90％的多孔陶瓷坯体以5℃/min的升温速率加热至1000℃；
2)给已经加热至1000℃的多孔陶瓷坯体加上电场强度5V/cm，当电源供给状态从恒压态跳转成恒流态时，调节电流密度为80mA/mm2，计时10s后跳转至降温程序，以5℃/min降至室温，即得到气孔率为80％，压缩强度为9MPa的氧化锆多孔陶瓷。
实施例2
1)将气孔率为70％～90％的多孔陶瓷坯体以5℃/min的升温速率升至1000℃；
2)给已经加热至1000℃的多孔陶瓷坯体加上电场强度5V/cm，当电源供给状态从恒压态跳转成恒流态时，调节电流密度为80mA/mm2，计时30s后跳转至降温程序，以5℃/min降至室温，即得到气孔率为79％，压缩强度为9.5MPa的氧化锆多孔陶瓷。
实施例3
1)将气孔率为70％～90％的多孔陶瓷坯体以5℃/min的升温速率升至950℃；
2)给已经加热至950℃的多孔陶瓷坯体加上电场强度200V/cm，当电源供给状态从恒压态跳转成恒流态时，调节电流密度为500mA/mm2，计时30s后跳转至降温程序，以5℃/min降至室温，即得到气孔率为85％，压缩强度为7MPa的氧化锆多孔陶瓷。
实施例4
1)将气孔率为70％～90％的多孔陶瓷坯体以5℃/min的升温速率升至900℃；
2)给已经加热至900℃的多孔陶瓷坯体加上电场强度300V/cm，当电源供给状态从恒压态跳转成恒流态时，调节电流密度为200mA/mm2，计时30s后跳转至降温程序，以5℃/min降至室温，即得到气孔率为78％，压缩强度为12MPa的氧化锆多孔陶瓷。
实施例5
1)将气孔率为70％～90％的多孔陶瓷坯体以5℃/min的升温速率升至850℃；
2)给已经加热至850℃的多孔陶瓷坯体加上电场强度500V/cm，当电源供给状态从恒压态跳转成恒流态时，调节电流密度为5mA/mm2，计时30s后跳转至降温程序，以5℃/min降至室温，即得到气孔率为75％，压缩强度为15MPa的氧化锆多孔陶瓷。

Claims (5)

1.一种电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将含有气孔的陶瓷坯体加热到临界温度；所述临界温度为在施加电场强度的条件下恰好发生快速烧结的温度；
步骤2：对陶瓷坯体施加一个电流形成临界电场，并且持续≥10s，小于20min的时间完成多孔陶瓷的烧结；所述临界电场是能发生快速烧结的电场强度。
2.根据权利要求1所述电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述含有气孔的陶瓷坯体的气孔率为70％～90％。
3.根据权利要求1所述电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述临界温度T为：300℃≤T≤1200℃。
4.根据权利要求1所述电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述电场强度E为：5V/cm≤E≤500V/cm。
5.根据权利要求1所述电场辅助低温快速烧结多孔陶瓷的方法，其特征在于：所述施加电流密度J为：5mA/mm2≤J≤1A/mm2。
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