孔隙規(guī)則排列A12O3基多孔陶瓷及三維連通A12O3-樹脂復合材料的研究.pdf

1、多孔陶瓷具有密度低、比表面積大、滲透率高、以及耐高溫和化學腐蝕的性能，被廣泛用作過濾、分離、隔熱、吸聲、催化劑載體、化學傳感器和生物陶瓷等元件材料。如果多孔陶瓷的孔隙呈反蛋白石結(jié)構(gòu)規(guī)則排列，將具有許多獨特的優(yōu)越性，如選擇性過濾和分離，良好的滲透性能和較高的力學性能。環(huán)氧樹脂因具有優(yōu)良的物理和粘結(jié)性能、高的電絕緣性能和良好的耐藥品性能而引起人們廣泛的研究興趣，它主要用于保護性涂層、涂料、粘結(jié)劑、電子封裝和澆鑄件等。近年來，當在環(huán)氧樹脂基體

2、中加入適量的填充物可以明顯提高其使用性能，使環(huán)氧樹脂復合材料的研究得到廣泛的發(fā)展。
　　 本文采用一種新穎的方法制備了孔壁致密、孔隙規(guī)則排列的Al2O3和Al2O3-ZrO2多孔陶瓷材料。該種方法是將植物種子（小米）或發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)小球排列成有序的模板，通過離心成型技術(shù)在模板間隙內(nèi)填充陶瓷漿料，生坯經(jīng)干燥、燒結(jié)后得到所需要的多孔復型結(jié)構(gòu)。該種方法可以避免常用的有機海綿在分解過程中形成的孔洞和缺陷，燒結(jié)產(chǎn)物具有均勻致密的孔

3、壁組織和良好的力學性能。本文系統(tǒng)地研究了Al2O3和Al2O3-ZrO2陶瓷漿料的制備過程，分析了單相和復相體系離心成型時的分離行為，探討了離心成型工藝參數(shù)對生坯和燒結(jié)產(chǎn)物各種性能的影響，建立了實驗參數(shù)和Al2O3-ZrO2多孔陶瓷壓縮強度的預測模型。本文還以離心成型所制備的孔隙規(guī)則排列的Al2O3多孔陶瓷為骨架，制備了三維連通Al2O3/樹脂新型復合材料，并研究了此種復合材料的力學性能、高溫尺寸穩(wěn)定性和耐磨性。
　　 在Al2

4、O3多孔陶瓷的制備過程中，通過調(diào)整pH值和分散劑的含量可以制備分散性和穩(wěn)定性良好的高固相含量(50vol％)的Al2O3漿料。該種漿料在10～180s-1的剪切速度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)剪切變稀的特性，其流變模型為：η=3.451+967.9295γ-0.415。50vol％固相含量的Al2O3漿料流動性和穩(wěn)定性良好，在離心成型過程中無明顯顆粒沉降差異導致的質(zhì)量分離現(xiàn)象。在2860g離心加速度下，離心所得的生坯孔壁均勻，密度較高(63.4％)。1

5、500℃燒結(jié)2h后，獲得孔壁均勻致密(98.9％)、孔隙規(guī)則排列、具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的Al2O3多孔陶瓷。SEM觀察表明，Al2O3多孔陶瓷的頂部和底部晶粒尺寸分布均勻。當作用在EPS模板頂部的附加載荷從7.3N增加到19.6N時，Al2O3多孔陶瓷的孔隙度從71.8％增加到83.2％，壓縮強度由3.85MPa降到1.78MPa，可以經(jīng)受6-8次1100℃-室溫的熱震。以小米為模板，采用50vol％固相含量的漿料，在2860g加速度下離心

6、所得的Al2O3多孔陶瓷的孔隙度為66.5％，壓縮強度為5.06MPa,可以經(jīng)受5次1100℃-室溫的熱震。
　　 在Al2O3-ZrO2多孔陶瓷的制備過程中，通過改變pH值和分散劑的含量，制備出固相含量為50vol％，分散性和穩(wěn)定性良好的Al2O3-ZO2漿料。該漿料在10～180s-1剪切速度范圍內(nèi)，呈現(xiàn)剪切變稀的特性，其流變模型為：η=3.022+1101.4γ-0.4229。采用固相含量為50vol％的Al2O3-ZrO

7、2漿料，離心成型過程中不發(fā)生明顯的由于Al2O3和ZrO2顆粒尺寸、密度差異所帶來的分離的現(xiàn)象。在2860g離心時，離心后樣品頂部和底部的孔壁呈現(xiàn)均勻的生坯密度(61.5％)。1550℃燒結(jié)2h后，獲得孔壁均勻致密(99.1％)、具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的Al2O3-ZrO2多孔陶瓷，其頂部和底部孔壁中ZrO2顆粒分布均勻，無明顯差異。當EPS模板頂部的附加載荷從7.3N增加到19.6N時，燒結(jié)產(chǎn)物的孔隙度從71.5％增加到83％，壓縮強度由4

8、.51MPa降到2.07MPa，最高可以經(jīng)受8-11次1100℃-室溫的熱震。
　　 利用自適應學習速率動量梯度下降反向傳播算法建立了預測Al2O3-ZrO2多孔陶瓷壓縮強度的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，該模型能具有較好的學習精度、學習速度，其預測誤差在實際應用允許的范圍之內(nèi)。通過神經(jīng)網(wǎng)絡的方法可以減少實驗工作量和提高工作效率，在材料性能預測方面具有較大的優(yōu)越性。
　　 采用孔隙規(guī)則排列的Al2O3多孔陶瓷為骨架，制備出三維連通A

9、l2O3/環(huán)氧樹脂復合材料，與環(huán)氧樹脂、Al2O3顆粒/環(huán)氧樹脂復合材料相比，具有更優(yōu)越的室溫和高溫綜合力學性能。在室溫時，抗彎強度、抗彎模量、抗壓強度和抗壓模量分別為116MPa、3.6GPa、170MPa、2.4GPa。該種材料具有良好的高溫尺寸穩(wěn)定性，在180℃尚未發(fā)現(xiàn)變形。在120℃壓縮時，其抗壓強度、抗壓模量分別為48MPa、0.9GPa。該新型復合材料具有良好的耐磨性，其摩擦系數(shù)和磨損量較低。同時摩擦系數(shù)穩(wěn)定性較好，隨著載荷