冰晶模板法的原理及应用

冰晶模板法的原理及应用Icetemplatingmethod’s

principle

and

applications目录Category背景及发展Background&progress工艺流程及调控Generalprocess&manipulation优点及局限性Strengths&limitations前景应用Promisingapplications1背景及发展Background&progressMaxwell,W.A.etal“Preliminaryinvestigationofthe'freeze-casting'methodforformingrefractorypowders”1背景及发展Background&progressMahler,W.andM.F.Bechtold"Freeze-FormedSilicaFibers."198019842001Tong,H.M.,etal"FormationofAnisotropicIce-AgarCompositesbyDirectionalFreezing."Fukasawa,T.,etal"Synthesisofporousceramicswithcomplexporestructurebyfreeze-dryprocessing."Nature

285,27-28JAmCeramSoc

84,230-232ColloidPolymSci

262,589-595/ark:/67531/metadc59950/citation/#top19541背景及发展Background&progress冰晶模板法制备的支架的特征长程有序多孔（存在温度梯度时）各向异性比表面积大密度低Cellulose

21,97-103SciRep5,13712工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2JAmCeramSoc84,230-232PhilosTransAMathPhysEngSci368,2099-2121实验装置反应容器冷箱及温控1温度传导及检测23聚四氟乙烯（PTFE）铜板2JournalofMaterialsResearch28,2202-2219工艺流程配制分散体系浆料+溶剂低温冻结冰晶生长冷冻干燥冰晶升华后处理i.e.烧结、交联工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2工艺流程准直多孔的纤维素框架的制备Cellulose

21,97-103工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation分散体系冰晶生长去除冰模板2冰模板法制备长程有序多孔材料[D].浙江大学,2017/wiki/Freeze-casting影响因素及调控工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation调控支架孔道的结构与形貌2影响因素及调控温度梯度工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation竖直方向上没有温度梯度竖直方向上存在温度梯度J.Chem.Technol.Biotechnol.,86:172-184AdvancedFunctionalMaterials,doi:10.1002/adfm.201804148(2018)2影响因素及调控/wiki/Freeze-casting冰冻速率工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2影响因素及调控冰冻速率AdvancedMaterials

29,doi:10.1002/adma.201703155（2017）陶瓷层的厚度与冰锋移动速率相关，冰锋移动速率越快陶瓷层的厚度越小工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2影响因素及调控温度绝对值冰模板法制备长程有序多孔材料[D].浙江大学,2017.项目\冷源液氮干冰/乙醇混合液冷却温度-196℃-78℃生成孔径66±11μm146±30μm工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2影响因素及调控外加电场JAmCeramSoc

92,1874-1876外加电场影响溶质颗粒在溶液中的分布，从而影响冰晶的生长随着电压增大，陶瓷致密层厚度也逐渐增大工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2影响因素及调控模具结构冰模板法制备长程有序多孔材料[D].浙江大学,2017.0°5°10°15°在溶液和冰冻表面之间引入的一个低导热的ＰＤＭＳ楔形结构，同时构建出竖直和水平两个方向上的温度梯度在没有双向温度梯度的条件下（a＝０°），层状结构的排列杂乱无章。随着ＰＤＭＳ坡度的增加（ａ＝５°，１０°，１５°），层状结构的取向逐渐从多分散转变为单分散，在坡度为１５°时能得到最佳的取向效果ＰＤＭＳ楔形结构坡度对氧化石墨稀气凝胶结构的影响工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2影响因素及调控溶液浓度溶液浓度的改变会影响孔径的大小及形貌浓度太低时，溶质仍是分散的状态随着MWCNT溶质浓度的增加，在形成冰晶时，溶质之间形成紧密而有序的结构AdvancedEnergyMaterials

7,doi:10.1002/aenm.201700331工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2影响因素及调控溶剂种类溶剂种类不同，结冰过程中的动力学与热力学也不同基于莰烯的冰晶模板法制备出的多孔材料具有高度分支的特征JAmCeramSoc

88,1108-1114工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation2影响因素及调控添加剂冰模板法制备长程有序多孔材料[D].浙江大学,2017.添加剂改变溶液的粘度等参数从而影响冰晶的生长及最终孔的结构与形貌随着PVA含量的增加，最终形成的孔由无规则的孔变成多层且致密的孔，PVA浓度较高时，孔间会形成桥接PVA含量对氧化石墨烯气凝胶结构的影响工艺流程及调控Generalprocess&ManipulationConcentrationofPVALowHigh2影响因素及调控溶质种类溶质的种类不同，最终形成的多孔支架的形貌也不一样溶质可以包括纳米颗粒、高分子以及纳米片层等AdvancedMaterials

29,doi:10.1002/adma.201703155（2017）工艺流程及调控Generalprocess&Manipulation优点及局限性Strengths&limitations3项目/方法冰晶模板法牺牲模板法发泡法3D打印设备要求中等低低高孔径尺寸2–200μm各种尺度10-500μm各种尺度工艺成本低较高低高工艺复杂度中等中等低高适用范围广泛广泛一般适用于高粘度体系广泛，但受限于原料和打印机环境友好友好不友好一般一般优点及局限性Strengths&limitations3冰晶模板法与部分制备多孔材料工艺的比较4前景应用Promisingapplications4前景应用Promisingapplications4前景应用Promisingapplications能源材料电池超级电容器垂直且连通的陶瓷通道能够有利于离子的输运仿生骨多级结构支架4前景应用Promisingapplications组织工程支架神经导管足够大的比表面积利于细胞黏附、增殖材料制备过程中不存在有毒物质生成或残留4前景应用Promisingapplications环保材料吸收石油吸收染料足够大的比表面积有利于吸收石油或染料Mahler,W.&Bechtold,M.F.Freeze-FormedSilicaFibers.Nature285,27-28Tong,H.M.,Noda,I.&Gryte,C.C.FormationofAnisotropicIce-AgarCompositesbyDirectionalFreezing.ColloidPolymSci262,589-595Fukasawa,T.,Ando,M.,Ohji,T.&Kanzaki,S.Synthesisofporousceramicswithcomplexporestructurebyfreeze-dryprocessing.JAmCeramSoc84,230-232Wegst,U.G.,Schecter,M.,Donius,A.E.&Hunger,P.M.Biomaterialsbyfreezecasting.PhilosTransAMathPhysEngSci368,2099-2121冰模板法制备长程有序多孔材料[D].浙江大学,2017.Deville,S.Ice-templating,freezecasting:Beyondmaterialsprocessing.JournalofMaterialsResearch28,2202-2219Canadas,R.F.etal.BiochemicalGradientstoGenerate3DHeterotypic-LikeTissueswithIsotropicandAnisotropicArchitectures.AdvancedFunctionalMaterials（2018）Zhang,Y.M.,Hu,L.Y.&Han,J.C.PreparationofaDense/PorousBiLayeredCeramicbyApplyinganElectricFieldDuringFreezeCasting.JAmCeramSoc92,1874-18769.Bhattacharya,P.,Kota,M.,Suh,D.H.,Roh,K.C.&Park,H.S.BiomimeticSpider-Web-LikeCompositesforEnhancedRateCapabilityandCycleLifeofLithiumIonBatteryAnodes.AdvancedEnergyMaterials710.Flauder,S.,Heinze,T.&Muller,F.A.Cellulosescaffoldswithanalignedandopenporosityfabricatedviaice-templating.Cellulose21,97-10311.Araki,K.&Halloran,J.W.Porousceramicbodieswithinterconnectedporechannelsbyanovelfreezecastingtechnique.JAmCeramSoc88,1108-111412.Cheng,Q.,Huang,C.&Tomsia,A.P.FreezeCastingforAssemblingBioinspiredStructuralMaterials.AdvancedMaterials29（2017）13.Ni,N.etal.UnderstandingMechanicalResponseofElastomericGrapheneNetworks.SciRep5,1371214.Qian,L.andZhang,H.(2011),Controlledfreezingandfreezedrying:aversatilerouteforporousandmicro‐/nano‐structuredmaterials.J.Chem.Technol.Biotechnol.,86:172-184参考文献谢谢观赏Thanksforwatching1背景及发展Background&progress定向生长的SiO2纤维束