氧化铝陶瓷冷冻干燥凝固初期孔隙调控机制研究

作     者：王日双 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈桦

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：冷冻干燥法 凝固初期 冷冻板厚度 导温系数 冷却速率 平均孔宽 

摘      要：多孔陶瓷是一种含有较多气孔的材料,具有化学稳定性好、比表面积大、孔隙率高、渗透率高等优良性能,广泛应用于生物支架、过滤材料、燃料电池和催化剂载体等领域。孔径在10Oμm以上的多孔陶瓷在一些特殊领域具有重要应用,如生物支架应具备不小于100μm的营养代谢主通道,燃料电池需要50～150μm的孔径。制备多孔陶瓷的方法中,冷冻干燥法具有孔隙结构设计性强、制备的孔隙尺寸可控范围大、孔排列有序等特点,受到国内外学者的广泛关注,但是在凝固初期很难制备100μm以上的大尺寸多孔陶瓷。针对上述问题,本文提出一种凝固初期孔隙调控方法:通过改变冷冻板的厚度和导温系数控制冷冻板输出端的准稳定降温曲线,从而在凝固初期获得大小可控的恒定冷却速率,解决凝固初期孔隙调控问题。通过数学建模、有限元仿真、实验分析及验证开展了以下研究:首先,根据傅立叶传热定律建立了关于冷冻板厚度、导温系数和温度变化的一维传热方程,对方程进行求解并分析了冷冻板厚度、导温系数的改变对冷冻板输出端温度的影响。开展了关于陶瓷浆料的有限元仿真实验,分析了改变冷冻板厚度和导温系数对陶瓷浆料凝固端冷却速率的影响。结果表明:增大冷冻板厚度或减小其导温系数均可减小冷冻板和浆料的冷却速率,且冷却速率呈抛物线变化,降低冷冻温度均可增加冷却速率。然后,通过实验研究阐明了冷冻板厚度和导温系数对多孔陶瓷平均孔宽的影响规律。在距离冷冻板1mm处,冷冻温度-28℃、固含量25wt.%、导温系数为3.94m2/s的条件下,当冷冻板厚度为50mm时,其横、纵截面平均孔宽分别为98.58μm、164.59μm,当厚度为175mm时,其横、纵截面平均孔宽分别为340.32μm、401.64μm,孔宽均显著增加。当冷冻板导温系数为115.46m2/s、厚度为50mm时,其横截面平均孔宽分别为30.32μm、95.64μm,孔宽显著减小。最后,对实验结果和仿真进行了对比分析,当冷冻板的厚度增加或导温系数减小可使浆料在凝固初期保持冷却速率的恒定,制备出孔宽均匀一致的多孔陶瓷,结果发现:当冷冻温度为-28℃、固含量为25wt.%、冷冻板为不锈钢304、厚度为175mm、凝固端移动的距离为1mm和2mm时,冷却速率均为0.35℃/min,横截面孔宽均为340.32μm,纵截面孔宽分别为401.64μm和400.68μm,说明在冷冻初期2mm以内,通过增加冷冻板厚度且减小导温系数可以保持冷却速率恒定,从而制备大尺寸、均匀有序的多孔陶瓷。