生物形态多孔SiC 陶瓷.ppt

简析生物形态多孔简析生物形态多孔SiC 陶瓷陶瓷飞雾流雪多孔多孔SiC陶瓷传统制备工艺陶瓷传统制备工艺分类添加造孔剂法有机泡沫浸渍法发泡法溶胶-凝胶法添加造孔剂法添加造孔剂法o添加造孔剂法利用了造孔剂的占位，对陶瓷添加造孔剂法利用了造孔剂的占位，对陶瓷坯体烧结，致使造孔剂离开基体而形成气孔。坯体烧结，致使造孔剂离开基体而形成气孔。o造孔剂一般为无机的可燃性物质或高温时分造孔剂一般为无机的可燃性物质或高温时分解产生气体的物质（如碳酸铵），和有机的解产生气体的物质（如碳酸铵），和有机的天然纤维、高分子聚合物或有机酸。天然纤维、高分子聚合物或有机酸。o其关键技术在于造孔剂的种类和用量控制。其关键技术在于造孔剂的种类和用量控制。有机泡沫浸渍法有机泡沫浸渍法o有机泡沫浸渍法是借助有机泡沫体具有的开有机泡沫浸渍法是借助有机泡沫体具有的开孔三维网状骨架结构，将混合好的陶瓷浆体孔三维网状骨架结构，将混合好的陶瓷浆体均匀的涂覆于有机泡沫网状体，干燥后烧掉均匀的涂覆于有机泡沫网状体，干燥后烧掉有机泡沫体而获得网眼多孔陶瓷泡沫体。有机泡沫体而获得网眼多孔陶瓷泡沫体。o多孔陶瓷体的孔尺寸主要取决于有机泡沫体多孔陶瓷体的孔尺寸主要取决于有机泡沫体的孔尺寸。的孔尺寸。发泡法发泡法o发泡法是通过添加有机或无机化学物质，经发泡法是通过添加有机或无机化学物质，经过特殊工艺处理后形成挥发性气体而产生泡过特殊工艺处理后形成挥发性气体而产生泡沫，然后经干燥和烧成制备多孔陶瓷。沫，然后经干燥和烧成制备多孔陶瓷。溶胶溶胶-凝胶法凝胶法o溶胶溶胶-凝胶法主要利用凝胶化过程中胶体粒凝胶法主要利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理过程中残留的小气孔，子的堆积以及凝胶处理过程中残留的小气孔，形成多孔结构。形成多孔结构。o缺点是采用大量的有机物，成本高，产量低。缺点是采用大量的有机物，成本高，产量低。传统工艺缺点传统工艺缺点o品孔尺寸很不均匀品孔尺寸很不均匀o孔径分布范围较宽孔径分布范围较宽o孔结构形态难以控制孔结构形态难以控制o孔排列杂乱无序孔排列杂乱无序o而且都需要添加剂，无法避免陶瓷相的污染而且都需要添加剂，无法避免陶瓷相的污染问题。问题。天然植物转化为生物形态的多孔陶瓷天然植物转化为生物形态的多孔陶瓷o植物在长期的进化演变过程中，植物在长期的进化演变过程中，形成了完美独特的结构组态：形成了完美独特的结构组态：o多级分布的管状或胞状结构多级分布的管状或胞状结构o发达的孔隙和排列有序的孔道发达的孔隙和排列有序的孔道o孔径分布从纳米级到毫米级孔径分布从纳米级到毫米级向日葵髓芯的SEM照片玉米秆芯的SEM照片高粱杆芯的SEM照片生物形态生物形态SiC 陶瓷的制备陶瓷的制备o将植物干燥，然后在惰性气氛中高温热解，将植物将植物干燥，然后在惰性气氛中高温热解，将植物转化为碳模板。在热解过程中，由于生物聚合物的转化为碳模板。在热解过程中，由于生物聚合物的分解，释放出分解，释放出H2O、CO2、CO 等轻物质，而组成等轻物质，而组成细胞壁的高聚物重新聚合，转化为碳骨架。与原始细胞壁的高聚物重新聚合，转化为碳骨架。与原始植物相比，碳模板有植物相比，碳模板有70-90%的失重和各向异性的失重和各向异性的收缩。的收缩。o通过不同的硅化过程将碳模板转化为通过不同的硅化过程将碳模板转化为SiC，如，如气相气相渗硅渗硅、液相渗硅液相渗硅以及以及溶胶凝胶溶胶凝胶-碳热还原碳热还原等方法。等方法。目前，主要针对高粱、木材和竹子进行了研究。目前，主要针对高粱、木材和竹子进行了研究。以高粱为模板制备多孔以高粱为模板制备多孔SiC 陶瓷陶瓷o高粱外表呈球形或椭球形，其颗粒直径约高粱外表呈球形或椭球形，其颗粒直径约4mm，内部由不同大小的细胞组成，热解，内部由不同大小的细胞组成，热解转化为碳模板后，细胞壁形成碳骨架，碳模转化为碳模板后，细胞壁形成碳骨架，碳模板内部呈多级体系的蜂窝状结构。板内部呈多级体系的蜂窝状结构。高粱经高温处理后碳模板外观形貌高粱经高温处理后碳模板外观形貌高粱碳模板呈类球形，颗粒直径约为高粱碳模板呈类球形，颗粒直径约为3mm，基本保持了高粱的外观形貌，基本保持了高粱的外观形貌Panorama碳化处理后，保持了高粱的蜂窝状细胞碳化处理后，保持了高粱的蜂窝状细胞结构，内部由大小不同的圆形或椭圆形结构，内部由大小不同的圆形或椭圆形孔组成，孔道相连孔组成，孔道相连Outer surfaceOCross section剖面分析显示剖面分析显示SiC 的微观形貌、孔的微观形貌、孔径排列和分布与碳模板相似径排列和分布与碳模板相似质量的损失和各向异性的收缩并不质量的损失和各向异性的收缩并不会改变生物物质的微观结构会改变生物物质的微观结构以木材为模板制备多孔以木材为模板制备多孔SiC 陶瓷陶瓷o木材为天然形成的具有各向异性结构的复合体，其木材为天然形成的具有各向异性结构的复合体，其管胞沿轴向的优先取向为利用各种渗入技术将木材管胞沿轴向的优先取向为利用各种渗入技术将木材转变为具有所需结构和功能的多孔陶瓷提供了可能，转变为具有所需结构和功能的多孔陶瓷提供了可能，可以用作模板制成具有类似木材微观、介观和宏观可以用作模板制成具有类似木材微观、介观和宏观结构的蜂窝陶瓷。结构的蜂窝陶瓷。o液相渗硅液相渗硅o张荻等人以白松、黑胡桃木和水曲柳等植物结构为张荻等人以白松、黑胡桃木和水曲柳等植物结构为模板，预处理后经硅树脂浸渍与耦合处理，制备具模板，预处理后经硅树脂浸渍与耦合处理，制备具有保持植物纤维原始形态的多孔碳化物陶瓷有保持植物纤维原始形态的多孔碳化物陶瓷white pine wood白松木白松木black hickory黑胡桃木黑胡桃木Manchurian ash水曲柳水曲柳椴木碳模板椴木碳模板气相渗硅法椴木木炭和多孔SiC 的SEM 照片对照先将橡木转化为先将橡木转化为碳模板，然后将碳模板，然后将模板放入坩埚，模板放入坩埚，坩埚底部装有坩埚底部装有Si粉，粉，升温至升温至1500-1600，熔融的，熔融的Si 变成气态，通变成气态，通过碳模板的孔洞，过碳模板的孔洞，反应后形成反应后形成SiC。以橡木为模板制备多孔以橡木为模板制备多孔以橡木为模板制备多孔以橡木为模板制备多孔SiCSiC 陶瓷的工艺流程陶瓷的工艺流程陶瓷的工艺流程陶瓷的工艺流程Flow chart for the fabrication process of porous SiC ceramic with oak wood microstructure以竹子为模板制备多孔以竹子为模板制备多孔SiC 陶瓷陶瓷o木材相比，竹子具有生长速度快、组织结构木材相比，竹子具有生长速度快、组织结构简单、抗弯强度高的特点。简单、抗弯强度高的特点。o竹炭的孔隙包括大孔隙、中孔和微孔，比表竹炭的孔隙包括大孔隙、中孔和微孔，比表面积可达面积可达360m2/g，是普通木炭的，是普通木炭的2-5 倍，倍，其丰富的孔隙分布和高比表面积使其具有良其丰富的孔隙分布和高比表面积使其具有良好的吸附特性，可作为吸附制件、催化剂载好的吸附特性，可作为吸附制件、催化剂载体的理想选择。体的理想选择。竹子、竹炭和竹子、竹炭和SiC 多孔陶瓷的断口形貌多孔陶瓷的断口形貌SEM images of bamboo,carbonized bamboo and SiC porous ceramic