[科普中国]-冷冻浇注法

冷冻浇注工艺（Freeze Casting）是一一类制备定向多孔结构的重要方法。

简介概述在冷冻浇注过程中，首先将溶剂、固体颗粒、分散剂、粘结剂等配成均匀稳定的浆料；然后将浆料置入具有定向低温梯度的冷冻浇注环境中，使浆料中的溶剂沿温度梯度发生单向凝固生长，推挤陶瓷颗粒聚集重排；凝固结束后将坯体进行冷冻干燥，使溶剂升华排出，留下以溶剂为模板、与溶剂凝固分布一致的连通多孔生坯，烧结后得多孔陶瓷。由于冷冻浇注能够对孔结构的取向与尺寸进行有效调控，且操作过程简单，因此作为一种新型的环境友好型凝胶态成型工艺，在制备生物多孔材料方面受到广泛关注。

研究进展如美国Berkeley大学的Deville等人从仿生贝壳与骨骼组织构造的角度出发，运用冰的凝固原理，对HA、A12O3等体系对应的水基浆料进行冷冻浇注，制备得到了层状孔道有序排列的骨组织工程用多孔陶瓷支架。关于冷冻浇注制备HA多孔陶瓷的研究，主要集中在浆料添加剂与冷却速率对多孔HA微观形貌的影响。如Qiang Fu等人通过在配制水基HA浆料的过程中加入丙三醇，获得了比未加入丙三醇时所得更小孔道层间距和更大孔壁厚度的层状多孔结构，且孔壁表面的树枝状结构也更加粗大；随着浆料中聚苯乙烯添加量的增加量（0 vol%-30 vol%)，孔尺寸减小，当添加20 vol%聚苯乙烯时，孔壁致密程度最好，力学性能最佳。K.H.Zuo等发现，降低冷却速度会延长溶剂在凝固过程中的生长时间，最终获得孔道层间距相应增加的变化趋势。对作为冷冻浇注对象的浆料而言，为了获得孔壁致密、孔道层间距均匀的连通多孔结构，浆料体系在整个冷冻浇注过程中应保持固体颗粒在溶剂中呈弱团聚甚至无团聚均匀分布的稳定状态。1

应用举例制备定向多孔羟基磷灰石陶瓷冷冻浇注用水基羟基磷灰石(HA，Ca5 (PO4)3OH)浆料的流变性与稳定性进行探讨，并采用冰模板法对相应多孔结构进行制备。结果表明：当水基HA浆料pH值由酸性向碱性调整时，有利于形成足够的空间位阻势从而使HA颗粒在浆料中充分分散，使得冷冻浇注过程中形成了定向排列的层状孔道，pH=7.5与更强碱性浆料的Zeta电位及其冷冻浇注最终形貌等性能均无显著差异。随着浆料中HA陶瓷颗粒含量的提高，浆料粘度值增加，导致冷冻浇注过程中冰晶在生长和排挤固体颗粒时所受阻力增大，对应所得层状多孔结构的层厚度相应增加，孔道层间距减小甚至消失。

制备具有网络结构的短纤维陶瓷采用冷冻浇注法制备具有网络结构的短纤维陶瓷。将均匀分散的莫来石纤维混合浆料在-50 ℃下冷冻，在-50 ℃，10 MPa 的条件下待冰晶升华干燥完全后，于1500 ℃下烧结3h 即可到所需产品。研究发现纤维含量和硅溶胶含量对样品的体积密度以及强度有显著的影响。结果表明：与抽滤法相比，冷冻浇注法更有利于获得均匀的三维结构；控制硅溶胶含量在5%（质量分数）纤维含量为2 vol%，可制得密度为0.31 g/cm3，抗压强度为1.30 MPa 的多孔网络结构陶瓷。2

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学