Porøse keramiske vakuumpatroner, også kendt som porøse keramiske patroner, er hovedsageligt sammensat af et mikroporøst keramisk lag og en støtteramme. De er vakuumspændeanordninger, der opnår ensartet undertryksadsorption gennem mikron-niveau eller submikron-niveau indbyrdes forbundne porekanaler. Blandt forskellige keramiske materialer er aluminiumoxidkeramik et af de mest almindeligt anvendte materialer til fremstilling af porøse keramiske vakuumpatroner på grund af dets fordele, såsom god kemisk stabilitet, stærk korrosionsbestandighed, høj-temperaturbestandighed, høj mekanisk styrke, fremragende slidstyrke, god dimensionsstabilitet og høj omkostningseffektivitet-.
Sammenlignet med traditionelle rillede eller perforerede patroner kan porøse keramiske vakuumpatroner opnå en mere ensartet negativ trykfordeling over hele adsorptionsoverfladen og derved undgå spændingskoncentration og overfladedepression forårsaget af overdreven lokal adsorption. Dette reducerer markant deformationen og lokaliseret beskadigelse af tynde plader forårsaget af "sugning i riller." Denne egenskab giver dem en klar fordel i præcisionsbearbejdningsprocesserne af tynde, flade emner som siliciumskiver og glasplader, hvilket gør dem særligt velegnede til applikationer med høje krav til planhed, ensartet kraftfordeling og bearbejdningsstabilitet.
Keramiske vakuumpatroner opnår emneadsorption og fastspænding gennem vakuumundertryk; derfor har materialets luftgennemtrængelighed en afgørende indflydelse på borepatronens arbejdseffektivitet, og en gennemgående-porestruktur er grundlaget for at opnå stabil luftgennemtrængelighed. Samtidig kræver vakuumpatron i praktiske applikationer ikke kun god luftgennemtrængelighed, men også høj mekanisk styrke, fremragende slidstyrke, god dimensionsstabilitet og høj overfladebearbejdningsnøjagtighed. Ydermere bør materialet i nogle anvendelsesscenarier også have passende elektrostatiske dissipationsevner for effektivt at hæmme elektrostatisk akkumulering og reducere de negative virkninger af elektrostatisk afladning på emnets overfladekvalitet, bearbejdningspræcision og enhedens ydeevne.
Der er forskellige metoder til fremstilling af gennem-pore åndbar keramik, herunder ekstruderingsstøbning, frysetørring, organisk skumimprægnering, partikelpakning, tilsætning af pore-dannende middel, gelstøbning, 3D-print og mere. Hvilke er mere egnede til anvendelse i vakuum patroner?
01 Pore-formningsmiddelmetode
Aluminiumoxidpulver blandes med organiske eller uorganiske poredannende midler- og formes. Under sintring nedbrydes eller brænder de poredannende midler- af og efterlader porer. Almindeligt anvendte poredannende midler omfatter stivelse, cellulose, petroleumskoks, saccharose, PS-mikrosfærer, organiske fibre, PMMA-mikrokugler, kulpulver, paraffinvoks osv.
02 Gelstøbemetode
Gelstøbemetoden er en vigtig teknik til at danne porøs keramik, foreslået af Oak Ridge National Laboratory i USA i 1990'erne. Denne metode involverer tilsætning af organiske monomerer, tvær-linkere, katalysatorer og initiatorer til en keramisk opslæmning. Gennem in-situ-polymerisation dannes et tre-dimensionelt polymernetværk, som immobiliserer de keramiske partikler i opslæmningen, hvilket producerer et næsten-net-formet keramisk grønt legeme. Baseret på den anvendte type opløsningsmiddel kan gelstøbningsmetoden opdeles i to kategorier: vandig gelstøbning og ikke-vandig gelstøbning.
03 3D Udskrivningsmetode
Betydningen af 3D-print for fremstilling af porøs keramik ligger primært i skiftet fra "passiv poredannelse" til "aktivt designede porestrukturer." 3D-print giver mulighed for direkte kontrol over morfologien, størrelsen, distributionen og forbindelsen af porer gennem digital modellering og lag{3}}til-lags additiv fremstilling, hvilket muliggør det synergistiske design af både den makroskopiske struktur og mikroskopiske porearkitektur af porøs keramik.
Forskere har brugt FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-print kombineret med en co-integrationsproces til at forberede porøse aluminiumoxid-keramiske patroner. I denne metode bliver et sammensat råmateriale indeholdende aluminiumoxidpulver, sintringshjælpemidler og kulfibre trykt lag-for-lag på en ensrettet måde, hvilket får kulfibrene til at justere langs printbanen. Efterfølgende skæres materialet i skiver vinkelret på printbanen. Efter afbinding og sintring dannes en struktur med ensartet orienterede, langstrakte gennem-porer. Ydermere er det porøse keramiske lag integreret bundet med et aluminiumoxidsubstrat med høj-renhed gennem tørpresning, isostatisk presning og sam{10}}sintring. Resultaterne indikerer, at patronerne fremstillet ved denne metode opretholder høj gasflux og høj grænsefladebindingsstyrke selv under betingelser med en porøsitet på ca. 38 % til 40 %.
04 Frysetørringsmetode
Frysetørringsmetoden er en teknik til fremstilling af porøs keramik, der anvender en opløsningsmiddelfrysnings- og sublimeringsproces til at konstruere porestrukturer. Dens essens ligger i at bruge frosne opløsningsmiddelkrystaller som midlertidige skabeloner, der skaber porøse strukturer gennem partikelafstødning og efterfølgende sublimeringsfjernelse.
Der er udviklet en vakuumpatronløsning baseret på fryse-støbning og sublimationstørringsprocesser til fremstilling af et retningsbestemt gennem-porøst adsorptionslag. Denne metode bruger ensrettet frysning til at inducere porekanaler justeret vinkelret på adsorptionsoverfladen. Disse kanaler kombineres og forsegles derefter med en bundplade, der indeholder riller, hvilket resulterer i en porøs vakuumpatron karakteriseret ved små porestørrelser, lavt flowtab, ensartet adsorption og egnethed til driftsforhold, hvor adsorptionsområdet ikke er fuldt dækket.