[发明专利]一种梯度TiC多孔陶瓷的有机模板浸渍成形-无压烧结制备方法

说明书

本发明公开了一种以TiC、Ti和Mo粉为原料，采用有机模板浸渍成形‑无压烧结工艺制备梯度TiC多孔陶瓷的方法。本方法将TiC粉、Ti粉、Mo粉、去离子水和PVB配制成料浆，通过有机模板浸渍法制备梯度TiC多孔陶瓷坯体，干燥后经无压烧结，得到梯度TiC多孔陶瓷。采用本发明的方法所制备的梯度TiC多孔陶瓷具有孔隙率高、孔径分布均匀、梯度层匹配可调、层间结合紧密、力学性能高等优点。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料技术领域，特指一种以TiC粉、Ti粉、Mo粉为原料制备梯度TiC多孔陶瓷的方法。更具体地说，本发明涉及一种采用有机模板浸渍成形-无压烧结工艺制备梯度TiC多孔陶瓷的方法。

背景技术

多孔陶瓷具有高气孔率、高表面积、高化学稳定性、低密度、低热导率等优点，广泛应用于隔热保温材料、除尘过滤、催化剂载体等领域。当前国内外对于多孔陶瓷进行了大量的研究，其制备方法主要包括添加造孔剂法、颗粒堆积法、发泡法、溶胶－凝胶法、水热合成法、凝胶注模法、自蔓延高温合成法等。例如发明专利“泡沫碳化硅”(专利号200610046242.X)以SiC粉为原料，利用发泡法制备了泡沫碳化硅，与基体复合后具有较高的硬度和耐磨性能，在制动盘、摩擦磨损件等领域有着广阔的应用前景。发明专利“TiC/Ti/Ni多孔陶瓷材料”(专利号201611139323.4)利用Ti粉、Ni粉、石墨粉和蔗糖为原料，通过自蔓延烧结法制备出TiC/Ti/Ni多孔陶瓷材料，力学性能良好，在汽车尾气处理过滤、净化、分离等领域具有良好的应用前景。

目前相关领域的大量研究主要集中在均质多孔材料的制备与性能测试上，然而在许多要求多孔材料具有不同孔径尺寸的场合，均质多孔材料往往不能满足实际工况的需求。梯度材料(Functionall Graded Materials,FGM)是指在三维空间中，材料体系的组织结构和性能通过组分设计逐渐变化，从而实现材料功能沿一定方向发生变化。因此FGM有许多不同于均质材料的特点，例如FGM特性不同的两侧能分别满足不同工况的需求，使得其在催化、传感、生物、燃料电池、吸声、食品及环境等领域有着广泛的应用。

在生物领域，目前梯度材料主要运用在人体骨骼上。德国Dresden大学M.Thieme等人采用粉末冶金方法制备了梯度钛合金，他们将大粒径的Ti粉在1150℃下无压烧结制成预制体，再将混合了有机粘接剂及分散剂的细Si粉悬浮液灌入预制体，经1470℃烧结得到多孔Ti合金。这种方法制备的梯度材料具有与天然骨骼相似的外层致密、内层疏松多孔的结构，因而具有更好的生物相容性。

在食品加工领域，梯度多孔材料主要运用在食品过滤中。这种梯度多孔结构避免了单一孔隙造成的效率低、流程复杂等缺点，使用一种材料可以同时过滤不同尺寸的食品，大大提高了效率和品质。国内学者通过选区激光熔化成型技术制备了316L不锈钢梯度多孔材料，其孔径从3um浮动至100um，以其作为滤网过滤果汁时，节省了需多次更换滤网的时间和步骤，大大提高了过滤效率。

发明专利“一种具有梯度孔径的Ni/Cr/Fe多孔材料及其制备方法”(申请号201710485610.9)将粒径不同的混合粉末逐层平铺并压冷成型，再经真空无压烧结得到具有梯度孔径的Ni/Cr/Fe多孔材料。该工艺属于颗粒堆积法，利用粒径不同的颗粒堆积形成尺寸变化的孔隙，所制备的多孔材料总体上孔隙率不高。

由此可见，已有的梯度多孔材料制备方法的工艺过程相对繁琐，多孔材料孔隙率及孔径变化幅度有限，成本较高。本发明提出的有机模板浸渍成形-无压烧结制备方法是一种制备梯度多孔陶瓷的新工艺，其梯度模板简单易得，可通过不同孔径有机海绵的搭配连接获得具有不同梯度结构的两层或多层有机模板，而采用料浆浸渍成形能够把有机模板的梯度结构完好的复制到多孔陶瓷坯体中。本发明所用原料中，Ti粉可在高温烧结过程中与烧结炉内的碳气氛反应生成TiC，而Mo粉可促进TiC的烧结，获得力学性能良好的多孔陶瓷材料。本发明所制备的梯度TiC多孔陶瓷兼具多孔与梯度两种结构，具有孔隙率高、孔径分布均匀、梯度层匹配可调、层间结合紧密、力学性能高等优点，在尾气过滤、消音降噪多个领域有着广阔的应用前景，故提出本项专利申请。