泡沫陶瓷的制備工藝的設計和設計研究進展

1、WORD7/7泡沫瓷的制備工藝與研究進展摘要：泡沫瓷具有透過性好，比表面積大，密度小，耐高溫與耐腐蝕性強等優(yōu)點。本文著重對泡沫瓷的傳統(tǒng)制備工藝和新興的制備工藝進行了闡述，介紹了泡沫瓷的應用領域，并對目前泡沫瓷的研究進展和趨勢進行了簡介。關鍵詞： 泡沫瓷 制備工藝 研究進展ABSTRACT:Ceramic foams have many good properties like good permeability, large surface ratio, low density , high temperature resistance and good corrosion resistanc

2、e. The article emphatically elaborates traditional preparation procedures and the latest preparation procedures of ceramic foams. It also introduces the application areas of ceramic foams. Finally it makes a brief introduction of current research progress and tendency.KEY WORDS: ceramic foam; prepar

3、ation procedure; research progress1 引言自1978年美國發(fā)明了利用氧化鋁、高嶺土等瓷料漿成功研制出泡沫瓷，用于鋁合金鑄造過濾之后，英、日、德、瑞士等國家競相開展了研究，生產工藝日益先進，技術裝備越來越向機械化、自動化發(fā)展，已研制出多種材質，適合于不同用途的泡沫瓷過濾器，如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、硼化物等高溫泡沫瓷，產品已系列化、標準化，形成了一個新興產業(yè)，我國在20世紀80年代初開展泡沫瓷研究工作。近20年來，先后有十幾家科研機構和廠家報道了泡沫瓷制品的研究。但是我國的泡沫瓷從整體技術水平上與國外相比還有一定的差距。泡沫瓷具有透過性好，比表面積大，密

4、度小，開口氣孔率高，耐高溫與耐腐蝕性強等優(yōu)點，而被廣泛地應用于熔融金屬過濾、隔熱材料、催化劑載體和吸音降噪等傳統(tǒng)領域以與傳感器、環(huán)境材料、生物材料等新興領域。泡沫瓷一般可以分為兩類，即開孔(網(wǎng)狀)瓷材料以與閉孔瓷材料，這取決于各個孔穴是否具有固體壁面。如果形成泡沫體的固體僅僅包含于孔棱中，則稱之為開孔瓷材料，其孔隙是相互連通的；如果存在固體壁面，則泡沫體稱為閉孔瓷材料，其中的孔穴由連續(xù)的瓷基體相互分隔。但大部分泡沫瓷既存在開孔孔隙又存在少量閉孔孔隙。一般來說孔隙的直徑小于2nm的為微孔材料；孔隙在250nm之間的為介孔材料；孔隙在50nm以上的為宏孔材料1-6。2 泡沫瓷的傳統(tǒng)制備工藝2.1添

5、加造孔劑工藝通過在瓷配料中添加造孔劑，利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間，然后經過燒結，造孔劑離開基體而形成氣孔來制備泡沫瓷。7用這種方法可以制得形狀復雜的泡沫瓷制品，但制品氣孔分布的均勻性較差。造孔劑的種類和加入量是該方法的關鍵，造孔劑分為有機造孔劑和無機造孔劑兩種，碳酸銨、碳酸鈣、氯化銨、碳酸氫銨等高溫可分解鹽類以與各類碳粉、煤粉等，屬于無機造孔劑；天然纖維、高分子聚合物和有機酸等屬于有機造孔劑。2.2 發(fā)泡工藝發(fā)泡工藝的主要原理是在瓷粉料中加人適當?shù)陌l(fā)泡劑,通過化學反應產生揮發(fā)性氣體從而產生泡沫,然后再經干燥和燒成制得8。采用發(fā)泡工藝可以制備形狀復雜的泡沫瓷制品。這種工藝成形泡沫瓷較復雜,

6、不易控制,且制備的泡沫瓷易出現(xiàn)粉化剝落現(xiàn)象，并含有大量閉口氣孔,因而在實際制備中較少被采用。2.3 有機泡沫浸漬工藝該方法基本思路是：首先將有機泡沫浸漬到瓷料漿中，然后經過干燥、燒成使有機泡沫脫離母體就可以獲得泡沫瓷。通過控制漿料性能，優(yōu)化無機粘結劑體系，嚴格控制漿料浸漬工藝過程，可以制備高性能的泡沫瓷制品。9該方法是目前泡沫瓷最理想的制備方法，用此種成形方法制備的泡沫瓷已在多個領域獲得大量應用。但是有機前驅體浸漬法存在一個明顯的缺陷，即有機泡沫體的網(wǎng)眼尺寸是有限的，這在一定程度上制約了所得泡沫瓷材料的孔徑和結構。針對此問題，采用三維網(wǎng)狀有機泡沫材料為載體，首先用浸漬工藝制備出疏松多孔結構坯體

7、，并經過排塑、預燒處理獲得具有一定強度的預制體，再通過對預制體進行表面處理，可以很好地解決這一問題10。有機泡沫浸漬法制備流程工藝圖如圖1所示。前驅體的制備陶瓷漿料的制備調漿浸漬和涂覆除漿重復涂覆干燥燒結性能檢測表面處理圖1 有機泡沫浸漬法制備流程工藝圖2.4溶膠凝膠工藝溶膠-凝膠工藝利用凝膠化過程中膠體粒子的堆積以與凝膠處理、熱處理等過程中留下小氣孔，形成可控孔隙結構。由溶膠向凝膠的轉化過程中，體系的粘度迅速增加，從而穩(wěn)定了已經產生的氣泡，有利于發(fā)泡。納米級的微孔瓷材料，氣孔分布均勻，現(xiàn)已成為無機分離膜制備工藝中最為活躍的研究領域。如表1所示為幾種泡沫瓷制備工藝的比較11。表1 幾種泡沫瓷制

8、備工藝的比較成型工藝孔徑氣孔率/%優(yōu)點缺點應用實例添加造孔劑工藝10m1mm050采用不同的成型方法，可制得形狀復雜的制品可制備各種氣孔結構的多孔制品氣孔分布均勻性差，不易制得高氣孔率制品一般過濾器催化劑支持體發(fā)泡工藝10m2mm4090特別適合制備閉氣孔制品，氣孔率大，強度高對原料要求高，工藝條件不易控制輕質建材保溫材料有機泡沫浸漬工藝100m5mm7090能夠制備高氣孔率制品，試樣強度好不能制造小孔徑閉氣孔的制品，制品形狀受限，制品成分密度不易控制金屬熔體過濾器溶膠-凝膠工藝2100mm095適于制備微孔瓷，制備薄膜材料，氣孔分布均勻原料受限制，生產率低，制品形狀受限制微孔分離膜3 泡沫瓷

9、的新興制備工藝3.1凝膠注模工藝美國橡樹嶺國家實驗室首次提出了凝膠注模工藝(Gel-casting)，它是一種被廣泛應用的新型成型方法。這種新的成型技術采用非孔模具，利用料漿部或少量添加劑的化學反應使瓷料漿原位凝固形成坯體，獲得具有良好微觀均勻性和較高密度的素坯，從而顯著提高材料的可靠性。Gel-casting工藝可以使懸浮體泡沫化，而且能使液體泡沫原位聚合固化。作為制備多孔瓷的一種新型方法，懸浮體泡沫化是最經濟的，原位聚合固化所形成的素坯具有部網(wǎng)狀結構，強度較高。3.2自蔓延高溫合成工藝自蔓延高溫合成(Self-propagatingHigh-tempera-tureSynthesis,SH

10、S)方法的概念是由前聯(lián)科學家A.G.Mazhanov在1967年首先提出來的。SHS的本質是一種高放熱無機化學反應，其基本反應過程是:向體系提供必要能量(點火)，誘發(fā)體系局部產生化學反應，此后，這一化學反應過程在自身放出的高熱量的支持下繼續(xù)進行，最后將燃燒(反應)波蔓延到整個體系，從而制備出所需的瓷材料。材料的SHS技術以其高效、節(jié)能、經濟和所得材料的良好性能特點而倍受重視，另外，SHS反應產物通常具有很高的孔隙率，用這一特點可用來制備具有多孔連續(xù)網(wǎng)絡結構的瓷材料，通過添加造孔劑可進一步提高產物的連通開放孔隙率。3.3 冷凍干燥工藝這種基于冷凍原理的瓷制備工藝可以制備具有復雜孔結構的泡沫瓷。其

11、原理是在瓷漿料冷凍的同時?？刂凭w冰單向生長，在低壓條件下進行干燥處理，此時溶劑冰升華排出，坯體中形成定向排布的孔結構，之后進行燒結。該工藝的特點是坯體燒成收縮小，燒成控制簡單，孔結構可設計性強，制品機械強度相對較好。Takayukki Fukasawa12等以水為溶劑，制備出同時具有宏觀氣孔和微觀氣孔的復雜孔結構氧化鋁瓷，制備工藝中隊環(huán)境不產生污染，顯示出良好的環(huán)境友好性。該工藝也可用于制備其它多孔材料，具有廣闊的應用前景。此外,還有諸如擠出成型法、固相燒結法、孔梯度制備法、泡沫前體反應法、有機泡沫堆積法、顆粒堆積工藝、水熱-熱靜壓工藝、微波加熱工藝、分相濾出法、固-氣共晶法和木材熱解構架法

12、等泡沫瓷制備方法。4泡沫瓷的應用泡沫瓷的應用開始于19世紀70年代，當時僅被用作鈾提純材料和細菌過濾材料。隨著泡沫瓷的使用圍不斷擴大，其應用領域也逐漸擴大，由過濾、熱工等領域逐漸擴展到隔熱、吸音、電子、光電、傳感、環(huán)境生物與化學領域。4.1 微孔膜瓷分離膜所具有的耐酸堿、耐侵蝕、耐高溫、抗老化、使用壽命長等優(yōu)點已被人們所認識,并被開發(fā)應用于食品工業(yè)、生物化工、能源工程、環(huán)境工程、電子技術等許多領域。隨著材料科學的發(fā)展,納米級多孔無機膜的制備和應用成為人們目前研究的熱點。4.2 生物材料目前很多科研單位都在致力于多孔羥基磷灰石生物瓷材料的研究。用添加造孔劑和制作泡沫瓷的方法制備多孔羥基磷灰石生物

13、瓷，其相互連通的孔隙有利于組織液的微循環(huán)，促進細胞的滲入和生長。目前,研制出的泡沫瓷羥基磷灰石人工骨和義眼已經用于臨床實驗,引起了醫(yī)學界和材料學界的關注。4.3 食品、衛(wèi)生行業(yè)用泡沫瓷材料 泡沫瓷由于具有耐高溫、耐腐蝕和良好的生物、化學特性,因而可用于醫(yī)藥工業(yè)中的酶、病毒、疫苗、核酸、蛋白質等生理活性物質的濃縮、分離、精制等。在食品、飲料工業(yè)中,特別適用于對色、香、味要求高的飲料與低度酒類的過濾,并可望在啤酒的生產中發(fā)揮巨大的作用。 4.4 環(huán)境材料 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各行各業(yè)在生產中排放的有害氣體和廢水也越來越多，如果處理不當，就會嚴重影響人類的生存環(huán)境，所以環(huán)境保護成為時代的主題。泡沫瓷

14、在汽車催化轉化器的應用已經有很長時間。除臭用泡沫瓷催化器能使廢水中有機溶劑、惡臭氣體催化燃燒，達到除臭凈化的目的。采用耐高溫且有足夠強度的抗熱震性能的高滲透性泡沫瓷可有效除去高溫含塵氣體。城市污水處理過程中，泡沫瓷材料也成為曝氣處理所用材料。4.5 隔熱材料 泡沫瓷具有熱傳導率低、抗熱震性能優(yōu)良等特性，是一種理想的耐熱材料。由泡沫瓷制作的典型耐熱材料為耐熱磚，其材質有氧化鋯、碳化硅、鎂鹽與鈣鹽等，使用溫度高達1600，是目前世界上最好的隔熱材料，稱之為“超級絕熱材料”,被應用于航天飛機外殼的隔熱與導彈頭的強迫發(fā)汗等。4.6 燃燒器 泡沫瓷近年的又一個新用途是作為多孔介質燃燒器。13泡沫瓷材料具

15、有良好的熱交換性，可以降低火焰溫度，惰性泡沫瓷表面或接近多孔瓷表面處進行預混合燃燒可以節(jié)省燃料，能明顯降低CO2和NO2的排放量。同時該種燃燒器可以使用多種燃料，具有良好的適應性。5 泡沫瓷的研究進展和趨勢20世紀70年代美國最早利用氧化鋁、高嶺土研制成功泡沫瓷，泡沫瓷被廣泛應用于冶金、化工、環(huán)保、節(jié)能、電子等領域，給工業(yè)和生活帶來了巨大的經濟和生活效益。泡沫瓷優(yōu)良的應用價值引起了科技界的重視，各國都開始了相關的研究工作。我國開展泡沫瓷研究工作始于20世紀80年代初，雖然部分產品已經標準化、系列化，但由于我國的泡沫瓷起步較晚，與國外技術發(fā)展與產品質量相比尚有一定差距，有不少問題需要進一步研究解

16、決。(1)目前，泡沫瓷的主要用途不要僅僅局限于傳統(tǒng)的“過濾、吸附”作用，還應該開發(fā)諸如基于泡沫瓷的孔道效應、結構效應、離子交換效應、氧化還原效應、納米尺寸效應等以與綜合開發(fā)其相關的應用。(2)長期以來泡沫瓷材料一直被用作結構材料、阻隔材料、催化劑載體、吸附劑等。但隨著納米技術的迅速發(fā)展,三維高度有序的泡沫瓷材料由于其在光電子、新型催化劑、高效吸收劑和分離介質、電極材料、生物醫(yī)用領域的種種潛在的用途而倍受矚目，但是如何把納米顆粒組裝成三維高度有序的材料還是一個新的課題。(3)泡沫瓷，特別是閉氣孔的泡沫瓷材料是很好的吸能、隔熱、抗沖擊材料。歐洲、日本、美國先后有大量的關于閉孔瓷的專利出現(xiàn)，但是基于

17、應用方面的報道較少。所以，應該加大對閉孔泡沫瓷材料的研究力度。還有諸如泡沫瓷材料的強度和剛度、克服掉渣、孔徑尺寸的精密控制、提高材料的使用溫度、移植泡沫金屬和泡沫塑料等其它泡沫材料的工藝來改善泡沫瓷材料的制備工藝等方面，需要進一步提高?？梢灶A見,各應用領域對多孔瓷需求的不斷擴大與對高性能多孔瓷的迫切需要，特別是本世紀發(fā)展生物技術與控制和改善環(huán)境的呼聲不斷高漲，將會促進多孔瓷的飛速發(fā)展，為多孔瓷的應用開創(chuàng)更廣闊的前景。參考文獻1 Altinkok N, Demir A, Ozsert I. Processing of Al2O3/SiC ceramic cake performs and the

18、ir liquid Al metal infiltration J. Composites: Part A2003, 34: 577- 582.2 Zhu X W, Jiang D L, Tan S H. Reaction bonding of open cel l SiC-Al2O3 composites J. Materials Research Bulletin, 2001, 36:2003- 20153 Peng Y, Richardson J. T. Properties of ceramic foam catalyst supports: one-dimensional and t

19、wo-dimensional heat transfer correlations J. Applied Catalysis A: General, 2004, 266: 235-244.4. Hvard Haugen, Julia Will , Anne Khler. Ceramic TiO2-foams:characterization of a potential scaffold J. Journal of the European Ceramic Society, 2004, 24: 661- 668.5 大力, 馬雷, 周靜一, 等. 碳硅石-莫來石泡沫瓷過濾器的研制J. 鑄造, 2006, 55 ( 6) : 659- 664.6 Tomita T, Kawas