多尺度孔径氧化铝陶瓷的制备及服役条件下的微结构演变

Porous ceramic materials have a wide application prospect in the fields of heat insulation materials, molten metal and high temperature gas filtration, catalyst carrier, and so on. The different pore size of the porous ceramics represents a different microstructure, and it is usually reflected in a variety of physical properties. However, it is difficult to prepare the porous ceramics with the pore size from the nanometer to millimeter scale by one method. In view of this and considering the characteristic of the large scale and easy control of the liquid drop in the emulsion system, the emulsion template method is used to prepare the porous alumina ceramics with different pore size combined with gelcasting. In this project, the appropriate raw materials were firstly explored and the rational process was established. Then the microstructure was adjusted by changing the type and amount of raw materials and the process parameters. The relationship of the microstructure and the physical properties was built. The physical properties of the porous alumina ceramics with different pore size before and after the service in high temperature will be tested, and the influence of the microstructure and the sevice conditions on the physical properties will be revealed. The stability and evolution mechanism of the microstucture will be discussed and clarified in order to achieve the analysis and assessment for the failure of the porous alumina ceramics in the using course.

多孔陶瓷材料在隔热材料、熔融金属及高温气体过滤、催化剂载体等领域有着广泛的应用前景。不同尺度孔径的多孔陶瓷代表了不同的微观结构，通常在各种物理性能上有所表现。但如果使用一种方法制备从纳米级到毫米级尺度孔径的多孔陶瓷并非易事。鉴于此，本研究利用乳状液体系中液滴尺寸范围宽和易于控制的特点，将乳状液模板法与凝胶注模方法相结合用来制备孔径在毫米到微米甚至纳米级的氧化铝多孔陶瓷。项目首先探寻合适原料体系并建立合理的工艺，然后利用原料种类与用量的改变和工艺参数的调整对微结构进行调控，建立起微观结构与各物理性能间的关系模型，揭示出微结构对性能的影响规律。对多尺度孔径的氧化铝多孔陶瓷在高温环境下服役前后的各物理性能进行测试表征，揭示微结构及服役条件对物理性能的影响规律，分析探讨微结构在高温环境下的稳定机制和演变机理，从而实现对不同微观结构的氧化铝多孔陶瓷在使用过程中的失效进行评估分析。

高温工业对节能降耗的要求越来越高，使用隔热材料是解决节能问题的有效途径之一。在实现乳状液模板法、发泡法和固态造孔剂法与凝胶注模成型的有效结合制备出氧化铝多孔陶瓷的基础上，对氧化铝多孔陶瓷的微观结构（包括孔径大小和气孔率等）进行调控并表征了多孔陶瓷的物理性能，建立了各性能与微观结构间的函数关系。研究了不同微观结构的氧化铝多孔陶瓷在高温服役条件下的结构演变与性能变化情况，总结其演变及变化的规律，实现了对不同微观结构的氧化铝多孔陶瓷在使用过程中的失效进行评估分析。结果表明：采用乳状液模板法、发泡法和固态造孔剂法结合凝胶注模成型工艺，可分别制备出孔尺度为5~30μm、50 ~300μm以及0.2~2mm的氧化铝多孔陶瓷。通过调整油相、发泡剂和造孔剂的使用量，实现了对气孔率的准确调控。氧化铝多孔陶瓷的微观结构与物理性能存在相互影响关系，低气孔率、低的气孔孔径有利于力学性能的增加，高气孔率、低气孔孔径的材料热导率低，高气孔孔径、高气孔率的材料可压缩性强。制备的氧化铝多孔陶瓷具有高强度、低密度、低热导率等特点，且氧化铝纯度高，使用温度高，节能效果好，非常适合用于节能隔热领域。随着服役温度的升高，服役时间的延长，高气孔率、高气孔孔径的氧化铝多孔陶瓷容易发生变形。长期处于高温应力作用，氧化铝多孔陶瓷的微观结构未出现显著的变化。根据具体服役环境（温度、载荷等），合理选择特定的氧化铝多孔陶瓷，是氧化铝多孔陶瓷安全高效服役的保障。通过本课题的研究，可为氧化铝多孔陶瓷在高温服役时的可靠性进行理论指导及数据支撑。