直写成型制备多孔陶瓷技术研究进展

多孔陶瓷具有耐高温、可控孔结构、高孔隙率、化学稳定性和生物惰性等特点，是应用于支柱、生物、催化和电气等领域的理想材料。传统多孔陶瓷的制造方法主要有颗粒堆积、添加造孔剂、发泡、溶胶-凝胶等。近年来，随着增材制造技术的发展，直写成型技术因其简单的设备构造和良好的浆料兼容性，被广泛应用于制造复杂结构和图案的多孔陶瓷。本文综述了直写成型多孔陶瓷的技术方法及其在各领域的应用，详细分析了直写成型技术制备多孔陶瓷材料的优劣势，提出了直写成型制备多孔陶瓷所面临的挑战，并对直写成型制备多孔陶瓷技术发展趋势进行了展望。     

先驱体转化法制备多孔陶瓷的发展现状

多孔陶瓷材料因其优异的性能在各种领域的应用越来越广泛,其制备方法也不断的发展.先驱体转化法制备多孔陶瓷是20世纪末才出现的一种新型工艺,它具有烧结温度低、成型工艺简单、所得制品强度高等优点,引起了科学技术界的广泛兴趣.根据所得多孔陶瓷的形态,先驱体转化法制备多孔陶瓷大致可分为两类:制备本征结构的多孔陶瓷,制备泡沫陶瓷.本文介绍了先驱体转化制备这两类多孔陶瓷的工艺、结构和性能的研究现状,以及其存在的急需解决的问题.     

石墨烯/陶瓷复合材料制备工艺研究进展

制备工艺是调控石墨烯/陶瓷复合材料结构、优化其力学和热电等性能的关键.重点综述了石墨烯/陶瓷复合材料的粉末压坯烧结工艺和3D打印工艺及其研究进展.粉末压坯烧结工艺包括无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结、微波烧结和高频感应加热烧结等,具有工艺简单、材料性能好、制备参数易控制等优点,是石墨烯/陶瓷复合材料的主要制备工艺,用于制备致密的块体复合材料;主要3D打印工艺有直写成形、激光选区烧结、喷墨打印和立体光固化等,具有结构和形状可控的特点,是目前石墨烯/陶瓷复合材料的研究热点,用于成形复杂形状和特定性能的复合材料器件.另外,还简要介绍了原位生成法、碳热还原法等利用特定物理化学反应制备石墨烯/陶瓷复合材料的制备工艺,并综述了石墨烯在复合材料中的分散工艺.     

发泡法、三维打印法、熔盐法制备多孔陶瓷

多孔陶瓷由于其广泛的应用前景而成为陶瓷领域的一个研究热点。综述了近年来多孔陶瓷制备研究的最新进展,重点概述了发泡法、三维打印法和熔盐法对多孔陶瓷的孔结构(孔尺寸、孔隙率和孔的连通性)及性能的影响。对所述3种方法制备的多孔陶瓷的孔径和孔隙率进行了对比,对其工艺的优缺点进行了总结,并在此基础上提出了多孔陶瓷制备过程中存在的问题和未来的发展方向。     

光固化3D打印磷酸钙基生物陶瓷支架的研究进展

磷酸钙基生物陶瓷多孔支架是临床中实现骨缺损再生修复的常用骨移植物。光固化3D打印技术以其优异的打印精度和复杂结构成形特性能够精确地控制支架孔尺寸、孔形状、孔连通率,在制备生物陶瓷多孔支架领域展现出巨大的应用潜力。然而,利用光固化3D打印技术制备磷酸钙基生物陶瓷多孔支架仍面临亟需克服的挑战,如缺乏性能优异的磷酸钙基陶瓷打印浆料、打印及后处理工艺不成熟、制备的磷酸钙基陶瓷多孔支架的性能还有待提升。本文首先介绍了几种常用的光固化3D打印技术基本原理与特征,然后从3D打印成形工艺、力学性能、生物活性、支架结构及功能化等方面系统探讨了光固化3D打印技术在制备磷酸钙基生物陶瓷多孔支架领域的研究进展及存在的问题,最后展望了光固化3D打印磷酸钙基生物陶瓷多孔支架的发展趋势和突破点,为利用光固化3D打印技术制备成本低、综合性能优异的磷酸钙基生物陶瓷多孔支架提供参考。     

二氧化钛陶瓷浆料的制备及其直写成型3D打印

直写成型技术是一种基于浆料挤出的3D打印技术,具有设备简单、投入低,可在温和条件下制备出精细复杂的三维结构的优点,在先进陶瓷制备领域潜力巨大。但直写成型技术目前面临材料缺乏、浆料制备困难等难题。为此,首先自主研发了一种基于气压式的新型直写成型3D打印机。在此基础上,以二氧化钛为原料,选用聚乙烯醇(PVA)作为流动助剂和粘结剂,制备了适用于直写成型的二氧化钛陶瓷浆料,研究了PVA含量对浆料流变行为及其直写成型可打印性的影响。在此基础上,打印加工了具有复杂形状和结构的二氧化钛制件,考察了其断面形貌、打印精度,并进一步分析了其烧结后的性能等。结果表明PVA的加入有效的降低浆料的黏度,提高其流动性,有助于其3D打印,改善了打印制件层与层之间的粘结情况,但PVA含量大于10wt%后,会导致浆料在沉积阶段出现坍塌现象。此外,PVA含量增加后,会导致烧结件硬度降低,收缩率增加。     

冷冻浇注制备多孔陶瓷的研究进展

冷冻浇注制备多孔陶瓷具有绿色经济、孔结构可控以及材料性能优良等优点,近年来受到国内外学者的广泛关注。本文在简单介绍冷冻浇注工艺原理的基础上,阐述了冷冻浇注工艺过程中孔结构的形成机理与条件,详细讨论了液相介质与冷冻条件对孔结构的影响,总结了冷冻浇注制备多孔陶瓷的材料体系以及典型工艺条件,最后指出冷冻浇注未来的研究方向是孔结构的有效控制及新型功能化多孔陶瓷的制备。     

试论多孔陶瓷制作工艺及其发展趋势

多孔陶瓷是陶瓷的一个类别,它不仅具有普通陶瓷的化学稳定性好、刚度高、耐热性好等优良特性,还有更多的因其孔洞结构而具有的性能,如密度小、质量轻、比表面积大、导热系数小等等。由于其具有独特的化学、力学、热学、光学、电学等方面的性能,多孔陶瓷已经成为一类具有巨大应用潜力的材料。因此,主要从多孔陶瓷的制作工艺及其发展趋势进行论述。     

氮化硅基多孔陶瓷的制备技术、孔隙结构控制方法及其研究进展

氮化硅基多孔陶瓷充分发挥了氮化硅陶瓷和多孔陶瓷的特性,受到全球材料界的广泛关注.总结了国内外氮化硅基多孔陶瓷的研究现状,概述了氮化硅基多孔陶瓷的制备技术,重点分析了氮化硅基多孔陶瓷的孔隙结构控制.针对不同应用领域对材料结构和性能的不同要求,指出孔隙结构的精确控制、不同相组成控制方法和降低工艺成本是今后氮化硅基多孔陶瓷的发展趋势.     

多孔陶瓷材料的研究进展

多孔陶瓷是一种新型功能材料,由于其具有气孔率高、耐高温、抗化学腐蚀、热稳定性好等优良性能,而被广泛应用于众多领域。本文总结了多孔陶瓷材料的分类方法和性能指标,介绍了多孔陶瓷的制备工艺和特点;并列举了多孔陶瓷在过滤器、催化剂载体、节能隔热材料、吸声材料和生物材料等方面的应用;最后展望了多孔陶瓷材料的发展前景。     

多级孔材料研究进展

多孔材料具有孔隙率高、比表面积大、导热系数低、体积密度小及化学性质稳定等优点,在吸附与分离、催化剂载体、隔热材料、能量储存、传感器等领域拥有广阔的应用前景。基于孔直径的大小可将多孔材料分为三类:孔径大于50nm的大孔材料(Macroporous materials),孔径介于2～50nm的介孔材料(Mesoporous materials)和孔径小于2nm的微孔材料(Microporous materials)。但是,由于孔径的限制,这三类材料的应用均存在一定的局限性。多级孔材料兼具通透性好、孔隙结构发达、体积密度小、比表面积和孔体积大等优点,打破了传统单级孔材料孔结构单一的局限,因此越来越受到研究人员的关注。然而,多级孔材料在制备中仍存在较多问题。例如,其合成过程通常会涉及到两种及两种以上的方法,制备工艺复杂;现有的多级孔材料的制备成本高,孔结构难以控制。因此,研究者们主要从优化多级孔材料的制备工艺以及降低生产成本等方面入手,制备出孔径均一且可控的多级孔材料。多级孔材料主要有大孔-介孔材料(Macro-mesoporous materials)、微孔-介孔材料(Micro-mesoporous materials)以及含有两种或多种不同孔径的介孔-介孔材料(Meso-mesoporous materials)。大孔-介孔材料常见的制备方法有模板法、发泡法、溶胶-凝胶法及熔盐法等;微孔-介孔材料的主要制备方法有化学活化法、模板法和水热法等;介孔-介孔材料的制备方法主要有水热法、模板法、溶胶-凝胶法及自组装法等。本文综述了近年来多级孔材料的最新研究进展,分别对大孔-介孔、微孔-介孔及介孔-介孔材料的制备方法进行了介绍,并简要分析了未来本领域研究的发展趋势。     

3D Printing of Ceramics with Controllable Green-Body Configuration Assisted by the Polyvinyl Alcohol-Based Physical Gels

Additive manufacturing of ceramics has received intense attention. In particular, 3D-printed ceramics with customized shapes are highly desirable in the chemical industry, aerospace, and biomedical engineering. Nevertheless, developing a simple and cost-effective process that shapes dense ceramics to complex geometries remains challenging because of the high hardness and low ductility of ceramic materials. Extrusion-based printing, such as direct ink writing (DIW), often requires supporting materials that pose additional difficulties during printing. Herein, a simple approach is developed to produce stretchable ceramic green bodies of zirconia and alumina for DIW. The ink is composed of polyvinyl alcohol (PVA) and an aqueous suspension of ceramic powders. Besides the colloidal network formed by the ceramic particles, PVA plays an important role in tuning the printability of the aqueous ink. Through a freeze-thaw process, PVA crystallizes to form physical networks. This strategy provides highly stretchable hydrogel green bodies that can be reprogrammed to complex geometries difficult for common DIW printing. The subsequent drying, debinding, and sintering processes produce ceramics with dense structures and fine mechanical properties. In short, this work demonstrates an efficient method for the DIW of ceramic parts that can be reprogrammed to complex geometries.     

生物模板法制备多孔陶瓷的研究进展

生物模板法是依据生物矿化及仿生学原理,借助自然界一些生物的结构特异性或者催化活性来合成新型无机材料的一种工艺方法,尤其是在合成具有生物形态和纳米结构的多孔陶瓷领域显示出巨大的潜力.分别从生物模板的原料及制备、制备多孔陶瓷工艺和应用等3个方面,归纳和分析了近年来生物模板法制备多孔陶瓷材料的研究进展,提出了生物模板法制备多孔陶瓷工艺过程中存在的一些问题,并对该领域今后的研究和发展提出了一些建议.     

Porous ceramics mimicking nature—preparation and properties of microstructures with unidirectionally oriented pores

Abstract

Porous ceramics with unidirectionally oriented pores have been prepared by various methods such as anodic oxidation, templating using wood, unidirectional solidification, extrusion, etc. The templating method directly replicates the porous microstructure of wood to prepare porous ceramics, whereas the extrusion method mimics the microstructures of tracheids and xylems in trees. These two methods are therefore the main focus of this review as they provide good examples of the preparation of functional porous ceramics with properties replicating nature. The well-oriented cylindrical through-hole pores prepared by the extrusion method using fibers as the pore formers provide excellent permeability together with high mechanical strength. Examples of applications of these porous ceramics are given, including their excellent capillary lift of over 1 m height which could be used to counteract urban heat island phenomena, and other interesting properties arising from anisotropic unidirectional porous structures.     

Porous ceramics mimicking nature—preparation and properties of microstructures with unidirectionally oriented pores

Porous ceramics with unidirectionally oriented pores have been prepared by various methods such as anodic oxidation, templating using wood, unidirectional solidification, extrusion, etc. The templating method directly replicates the porous microstructure of wood to prepare porous ceramics, whereas the extrusion method mimics the microstructures of tracheids and xylems in trees. These two methods are therefore the main focus of this review as they provide good examples of the preparation of functional porous ceramics with properties replicating nature. The well-oriented cylindrical through-hole pores prepared by the extrusion method using fibers as the pore formers provide excellent permeability together with high mechanical strength. Examples of applications of these porous ceramics are given, including their excellent capillary lift of over 1 m height which could be used to counteract urban heat island phenomena, and other interesting properties arising from anisotropic unidirectional porous structures.     

纤维多孔陶瓷的研究进展EI北大核心CSCD

纤维多孔陶瓷是利用黏结剂将随机分布的陶瓷纤维进行黏接,形成具有鸟巢形态的多孔材料,内部具有大量三维联通孔,其具有轻质、高气孔率、高比表面积、高效隔热的特性。纤维多孔陶瓷为飞行器提供良好热防护效果的同时,可明显减轻其质量,降低发射成本,是航天器大面积热防护系统极具潜力的候选材料。本文主要对近年来纤维多孔陶瓷材料有关纤维骨架、黏结剂、制备方法,以及其在性能优化等方面的研究工作进行了梳理、总结,展望纤维多孔陶瓷在多重热防护方式、集成化及工程化等方面的发展。     

多孔陶瓷材料制备方法

多孔陶瓷是一种新型材料，由于其具有较低的热传导等优良性能，而被广泛地应用于众多科学领域。综述了多孔陶瓷的类型、制备工艺、性能及应用，特别是详尽的讨论了制备工艺及各种工艺的优缺点，最后展望了多孔陶瓷的发展前景及今后的发展方向。     

含前驱体SiC粉体低压成型低温烧结SiC多孔陶瓷

采用聚碳硅烷和SiC粉体为原料低压成型低温烧结制备SiC多孔陶瓷,研究了聚碳硅烷含量对SiC多孔陶瓷性能的影响。SEM分析表明,聚碳硅烷裂解产物将SiC颗粒粘结起来,多孔陶瓷具有相互连通的开孔结构。烧成SiC多孔陶瓷的孔隙孔径为单峰分布、分布窄,室温至800℃之间多孔陶瓷的平均热膨胀系数为4.2×10-6 K-1。随着聚碳硅烷含量的增大,SiC多孔陶瓷的孔隙率降低、三点弯折强度增大,当聚碳硅烷质量分数为10%时分别为44.3%和31.7MPa。     

冷冻铸造技术制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料研究进展

贝壳珍珠层是一种天然的层状结构复合材料,类似"砖和泥"的软硬相交替的层状分级组装结构赋予其优良的力学性能。通过对贝壳的珍珠层进行仿生研究,人们已利用不同技术如冷冻铸造技术等,制备了一系列仿生高强超韧层状复合材料,并且这些材料在航空航天、军事、民用及机械工程等领域表现出广阔的应用前景。首先介绍了贝壳珍珠层的结构性能,并对其断裂机制进行了阐述;然后综合介绍了冷冻铸造技术的发展历程、作用机理、控制因素、装置设计和总体工艺流程。在此基础上,对制备仿贝壳层状结构陶瓷复合材料的表观密度、多孔陶瓷的孔隙率进行介绍,综述了多孔陶瓷的性能、陶瓷/金属层状结构复合材料以及陶瓷/聚合物层状结构复合材料的特点和应用,最后分析和总结了在研究仿贝壳层状结构陶瓷复合材料过程中出现的问题,并对该复合材料的未来发展趋势做了一定的预测。     

碳化硅多孔陶瓷制备技术研究进展

分别对碳化硅多孔陶瓷的主要制备方法进行了阐述，分析了这些制备方法的主要优缺点，并指出将来的研究重点应是高性能碳化硅多孔陶瓷的低成本制备技术及其应用领域的进一步拓展。另外，各种制备工艺条件同碳化硅多孔陶瓷性能之间的内在联系研究也应该进一步深化。