本發(fā)明屬于多孔材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料，還涉及具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料的制備方法。

背景技術(shù)：
多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的材料。多孔材料一般因具有相對密度低、比強度高、比表面積高、重量輕、隔音、隔熱、滲透性好等優(yōu)點而廣泛應用在氣體和液體過濾、凈化分離、催化劑載體、高級保溫材料、生物植入材料、吸聲減震材料和傳感器材料等許多領(lǐng)域。目前，制備多孔材料的方法主要有有機泡沫浸漬法、添加造孔劑法、溶膠-凝膠法和冷凍干燥法等。但大多數(shù)制備方法制備出的多孔材料，其多孔結(jié)構(gòu)是隨機的、不規(guī)律的，且隨孔隙率的增加使得強度不高，所以如何制備出具有規(guī)律孔結(jié)構(gòu)、高強度的多孔材料是目前的研究重點。中國專利《冷凍干燥法制備多孔材料的改進》(申請?zhí)枺?00710039451.6，公開號：101050128A，公開日：2007-10-10)公開了一種冷凍干燥法制備多孔材料的改進，該方法利用有機添加劑在冷凍過程中的凝膠化及相分離來控制孔的微結(jié)構(gòu)和性能，得到具有較高開孔孔隙率的多孔材料，但其對多孔材料的微結(jié)構(gòu)進行控制受限于所選用的有機添加劑的種類和含量，范圍較窄。中國專利《冷凍干燥法制備無機多孔復合材料的方法》(申請?zhí)枺?00710098738.6，公開號：101293783A，公開日：2008-10-29)公開了一種冷凍干燥法制備無機多孔復合材料的方法，該方法以水為模板來獲得孔結(jié)構(gòu)，通過將原料以納米級顆粒形式與水共同攪拌，在室溫下形成懸濁液，再將注入到模具中的懸濁液在低溫下完全凍結(jié)成固體，然后將冷凍后的固體放入真空冷凍干燥機中，連續(xù)冷凍干燥，固體中的冰直接升華成水蒸氣留下孔隙，制得具有眾多均勻分布的孔的無機物復合材料塊材。但是該塊材的孔徑較大，孔隙率高，使用時存在強度不高的問題。中國專利《一種采用冷凍干燥法制備具有定向結(jié)構(gòu)多孔陶瓷的方法》(申請?zhí)枺?00810239016.2，公開號：101429050B，公開日：2008-12-04)公開了一種采用冷凍干燥法制備具有定向結(jié)構(gòu)多孔陶瓷的方法，該方法利用定向冷凍凝固陶瓷漿料、減壓干燥排除介質(zhì)，從而獲得具有沿冷凍溫度梯度方向定向孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷，該多孔陶瓷具有一定的機械強度，但是在垂直于冷凍溫度梯度方向，孔是隨機分布的，在使用時仍然存在著因垂直于冷凍溫度梯度方向強度不足而導致材料失效的危險。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料。本發(fā)明的另一個目的是提供上述多孔材料的制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)制備出的多孔材料的孔結(jié)構(gòu)隨機分布和強度低的問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料，層狀孔沿徑向的橫截面呈中心對稱的定向結(jié)構(gòu)。上述多孔材料為多孔陶瓷或多孔金屬。上述多孔材料由陶瓷粉末、水、分散劑和粘結(jié)劑為原料制成，其中，陶瓷粉末和水的體積比為1:1.5～1:4，分散劑的質(zhì)量占陶瓷粉末和水兩者總質(zhì)量的2％～8％，粘接劑的質(zhì)量占陶瓷粉末和水兩者總質(zhì)量的1％～4％。優(yōu)選地，陶瓷粉末為氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、羥基磷灰石、粘土、氫化鈦、氫化鋯中任意一種。優(yōu)選地，分散劑為聚丙烯酸鈉、亞甲基二萘磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉中的任意一種。優(yōu)選地，粘接劑為聚乙烯醇或羧甲基纖維素中任意一種。本發(fā)明所采用的另一個技術(shù)方案是，上述具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料的制備方法，包括以下步驟：步驟1，稱取陶瓷粉末、水、分散劑和粘結(jié)劑，陶瓷粉末和水的體積比為1:1.5～1:4，分散劑的質(zhì)量占陶瓷粉末和水兩者總質(zhì)量的2％～8％，粘接劑的質(zhì)量占陶瓷粉末和水兩者總質(zhì)量的1％～4％；步驟2，將分散劑和粘接劑加入水中，混勻后再加入陶瓷粉末，混勻得原料液；以氧化鋯球或氧化鋁球為球磨介質(zhì)，在聚乙烯球磨瓶中球磨24h使之均勻分散，得到漿料；步驟3，將漿料注入側(cè)面和底面均為傳熱材料的圓柱形模具中，然后將模具放置在冷凍干燥機的冷凍隔板上冷凍2-4h，冷凍溫度為-50℃～-30℃；步驟4，漿料完全冷凍后從模具中取出，將冷凍的漿料置于壓強為0～600Pa的環(huán)境中低壓干燥20-24h，得到多孔材料預制體；步驟5，將多孔材料預制體在空氣或真空氣氛下800℃～1700℃燒結(jié)2-3h，得到所述多孔材料。優(yōu)選地，步驟3中的傳熱材料為金屬銀、銅和鋁中任意一種。本發(fā)明的有益效果的是：本發(fā)明的具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料是采用多冷源冷凍干燥技術(shù)制備而成，利用了模具的導熱底面、以及導熱側(cè)面形成漿料冷凍的多冷源。冷凍過程中，漿料中的水結(jié)晶受軸向底部模具和徑向側(cè)面模具兩個冷源的控制，且隨冷凍時間的延長，模具上的任意位置溫度都逐漸降低并維持最初的溫度梯度，模具側(cè)面上的溫度梯度受冷凍溫度、模具尺寸以及模具導熱率控制，兩個互相垂直的冷源誘導冰晶的生長，冰晶沿著自下而上、自側(cè)面向中心的方向生長，冰晶的生長平行于兩個冷源，呈中心對稱排列，再經(jīng)過干燥升華、燒結(jié)過程制得孔呈中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料。本發(fā)明的多孔材料具有各向同性、均勻性好、力學性能和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可廣泛應用于過濾材料、催化劑載體、減震材料、燃料電池、人工骨替代材料、藥物釋放載體等領(lǐng)域，本發(fā)明的多孔材料的制備方法簡便易操作，解決了現(xiàn)有技術(shù)制備出的多孔材料的孔結(jié)構(gòu)隨機分布和強度低的問題。附圖說明圖1是冰晶生長示意圖。圖2是本發(fā)明實施例1制備的Al2O3多孔材料的橫截面形貌圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明提供了一種具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料，該多孔材料的層狀孔沿徑向的橫截面呈中心對稱的定向結(jié)構(gòu)。上述多孔材料為多孔陶瓷或多孔金屬。上述多孔材料由陶瓷粉末、水、分散劑和粘結(jié)劑為原料制成，其中，陶瓷粉末和水的體積比為1:1.5～1:4，分散劑的質(zhì)量占陶瓷粉末和水兩者總質(zhì)量的2％～8％，粘接劑的質(zhì)量占陶瓷粉末和水兩者總質(zhì)量的1％～4％。優(yōu)選地，步驟1中的陶瓷粉末為氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、羥基磷灰石、粘土、氫化鈦、氫化鋯中任意一種。優(yōu)選地，步驟2中的分散劑為聚丙烯酸鈉、亞甲基二萘磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉中的任意一種。優(yōu)選地，步驟2中的粘接劑為聚乙烯醇或羧甲基纖維素中任意一種。本發(fā)明還提供了上述具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料的制備方法，包括以下步驟：步驟1，稱取陶瓷粉末、水、分散劑和粘結(jié)劑，陶瓷粉末和水的體積比為1:1.5～1:4，分散劑的質(zhì)量占陶瓷粉末和水兩者總質(zhì)量的2％～8％，粘接劑的質(zhì)量占陶瓷粉末和水兩者總質(zhì)量的1％～4％；步驟2，將分散劑和粘接劑加入水中，混勻后再加入陶瓷粉末，混勻得原料液；以氧化鋯球或氧化鋁球為球磨介質(zhì)，在聚乙烯球磨瓶中球磨24h使之均勻分散，得到漿料；步驟3，將漿料注入側(cè)面和底面均為傳熱材料的圓柱形模具中，然后將模具放置在冷凍干燥機的冷凍隔板上冷凍2-4h，冷凍溫度為-50℃～-30℃；步驟4，漿料完全冷凍后從模具中取出，將冷凍的漿料置于壓強為0～600Pa的環(huán)境中低壓干燥20-24h，得到多孔材料預制體；步驟5，將多孔材料預制體在空氣或真空氣氛下800℃～1700℃燒結(jié)2-3h，得到所述多孔材料。優(yōu)選地，步驟3中的傳熱材料為金屬銀、銅和鋁中任意一種。本發(fā)明采用多冷源冷凍干燥技術(shù)制備具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料，利用了模具的導熱底面、以及導熱側(cè)面形成漿料冷凍的多冷源。由于定向冷凍會導致水結(jié)晶時的冰晶生長產(chǎn)生各向異性，如圖1所示，平行于冷凍方向a的冰晶前端的生長速率是垂直于冷凍方向b的102-103倍，從而導致冰晶成片層狀生長，具有很強的各向異性。但是多個冷源的作用使得漿料中的冰晶生長方向受到進一步限制，模具底面和側(cè)面形成的冷源會產(chǎn)生多個冷凍方向，層狀的冰晶生長會沿著多個方向形成的平面內(nèi)生長，總體上看就是冰晶均沿著圓柱體的半徑呈中心對稱分布。冷凍過程中，漿料中的水結(jié)晶受軸向底部模具和徑向側(cè)面模具兩個冷源的控制，且隨冷凍時間的延長，模具上的任意位置溫度都逐漸降低并維持最初的溫度梯度，模具側(cè)面上的溫度梯度受冷凍溫度、模具尺寸以及模具導熱率控制，兩個互相垂直的冷源誘導冰晶的生長，冰晶沿著自下而上、自側(cè)面向中心的方向生長，冰晶的生長平行于兩個冷源，呈中心對稱排列，再經(jīng)過干燥升華、燒結(jié)過程制得孔沿徑向的橫截面呈中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料。通過多冷源冷凍干燥技術(shù)制備的具有中心對稱結(jié)構(gòu)的多孔材料，層狀孔沿徑向的橫截面呈中心對稱結(jié)構(gòu)分布，垂直于溫度梯度方向的強度得到提高，具有各向同性、均勻性好、力學性能和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可廣泛應用于過濾材料、催化劑載體、減震材料、燃料電池、人工骨替代材料、藥物釋放載體等領(lǐng)域。實施例1在60g蒸餾水中依次加入3.96g聚丙烯酸鈉和1.98g羧甲基纖維素，均勻混合，再加入138.40gAl2O3粉末，Al2O3粉末和蒸餾水的體積比為4:6，以氧化鋯球為球磨介質(zhì)，在聚乙烯球磨瓶中球磨24h使之均勻分散，得到體積濃度為40％的Al2O3漿料；將Al2O3漿料注入側(cè)面和底面為銅、半徑為16mm、高度為48mm的圓柱形模具中，然后將注入Al2O3漿料的模具底部放置在-30℃的冷凍隔板上進行冷凍；Al2O3漿料完全冷凍后取出，置于壓強為0Pa環(huán)境中低壓干燥，得到Al2O3多孔材料預制體；將Al2O3多孔材料預制體在空氣氣氛下1700℃燒結(jié)，即制得Al2O3多孔材料。圖2是本發(fā)明實施例1制備的Al2O3多孔材料的橫截面形貌圖，從圖2中可以看到，Al2O3多孔材料的每一孔道都指向中心，且均勻分布，呈現(xiàn)沿徑向的橫截面中心對稱的規(guī)則結(jié)構(gòu)。實施例2在70g水中依次加入5.74g亞甲基二萘磺酸鈉和2.87g聚乙烯醇，均勻混合，再加入73.62gHA粉末，HA粉末和蒸餾水的體積比為3:7，以氧化鋯球為球磨介質(zhì)，在聚乙烯球磨瓶中球磨24h使之均勻分散，得到體積濃度為30％的HA漿料；將HA漿料注入側(cè)面和底面為銀、半徑為8mm、高度為24mm的圓柱形模具中，然后將注入HA漿料的模具底部放置在-40℃的冷凍隔板上進行冷凍；HA漿料完全冷凍后取出，置于壓強為600Pa環(huán)境中低壓干燥，得到HA多孔材料預制體；將HA多孔材料預制體在空氣氣氛下1250℃燒結(jié)，即制得HA多孔材料。HA多孔材料的每一孔道都指向中心，且均勻分布，呈現(xiàn)沿徑向的橫截面中心對稱的規(guī)則結(jié)構(gòu)。實施例3在80g水中依次加入11.87g十二烷基硫酸鈉和5.93g羧甲基纖維素，均勻混合，再加入117.80gZrO2粉末，ZrO2粉末和蒸餾水的體積比為2:8，以氧化鋁球為球磨介質(zhì)，在聚乙烯球磨瓶中球磨24h使之均勻分散，得到體積濃度為20％的ZrO2漿料；將ZrO2漿料注入側(cè)面和底面為鋁、半徑為24mm、高度為32mm的圓柱形模具中，然后將注入ZrO2漿料的模具底部放置在-50℃的冷凍隔板上進行冷凍；ZrO2漿料完全冷凍后取出，置于壓強為400Pa環(huán)境中低壓干燥，得到ZrO2多孔材料預制體；將ZrO2多孔材料預制體在空氣氣氛下1500℃燒結(jié)，即制得ZrO2多孔材料。ZrO2多孔材料的每一孔道都指向中心，且均勻分布，呈現(xiàn)沿徑向的橫截面中心對稱的規(guī)則結(jié)構(gòu)。實施例4在70g水中依次加入16.4g十二烷基苯磺酸鈉和8.2g聚乙烯醇，均勻混合，再加入135gTiH2粉末，TiH2粉末和蒸餾水的體積比為3:7，以氧化鋯球為球磨介質(zhì)，在聚乙烯球磨瓶中球磨24h使之均勻分散，得到體積濃度為30％的TiH2漿料；將TiH2漿料注入側(cè)面和底面為銅、半徑為16mm、高度為40mm的圓柱形模具中，然后將注入TiH2漿料的模具底部放置在-30℃的冷凍隔板上進行冷凍；TiH2漿料完全冷凍后取出，置于壓強為200Pa環(huán)境中低壓干燥，得到TiH2多孔材料預制體；將TiH2多孔材料預制體在真空氣氛下800℃燒結(jié)，氫化鈦高溫分解脫氫，即制得金屬鈦多孔材料。金屬鈦多孔材料的每一孔道都指向中心，且均勻分布，呈現(xiàn)沿徑向的橫截面中心對稱的規(guī)則結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實施例1-4制備的多孔材料的孔結(jié)構(gòu)、孔隙率和力學性能如表1所示。從表1可以看出，利用多個冷源的作用，使?jié){料中的冰晶沿著垂直于模具底面和側(cè)面的矢量方向生長，經(jīng)過冷凍使其凝固，然后通過干燥升華去除結(jié)晶體，使得實施例1-4中的多孔材料具有沿徑向的橫截面中心對稱的定向孔結(jié)構(gòu)；同時，由于多孔材料的孔分布均勻性好以及各向同性，使得多孔材料的徑向和軸向強度都得到了提高。表1實施例1-4制備的多孔材料的孔結(jié)構(gòu)、孔隙率和力學性能由上表可以看出本發(fā)明多冷源冷凍干燥技術(shù)制備出的多孔材料，具有沿徑向的橫截面中心對稱的結(jié)構(gòu)，層狀孔分布均勻達到了各向同性的效果；同時，其各方向的強度較高。以上多孔材料的特性，使得本發(fā)明的多孔材料具有各向同性、均勻性好、力學性能和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可廣泛應用于過濾材料、催化劑載體、減震材料、燃料電池、人工骨替代材料、藥物釋放載體等領(lǐng)域。本發(fā)明以上描述只是部分實施例，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式。上述的具體實施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本發(fā)明的材料和方法，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，所有具體拓展均屬本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。