泡沫陶瓷的制備工藝設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

1、 .wd. .wd. .wd.泡沫陶瓷的制備工藝與研究進(jìn)展摘要：泡沫陶瓷具有透過(guò)性好，比外表積大，密度小，耐高溫及耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文著重對(duì)泡沫陶瓷的傳統(tǒng)制備工藝和新興的制備工藝進(jìn)展了闡述，介紹了泡沫陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)目前泡沫陶瓷的研究進(jìn)展和趨勢(shì)進(jìn)展了簡(jiǎn)介。關(guān)鍵詞：泡沫陶瓷 制備工藝研究進(jìn)展ABSTRACT:Ceramic foams have many good properties like good permeability, large surface ratio, low density , high temperature resistance and good corrosi

2、on resistance. 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 f

3、oam; preparation procedure; research progress1引言自1978年美國(guó)創(chuàng)造了利用氧化鋁、高嶺土等陶瓷料漿成功研制出泡沫陶瓷，用于鋁合金鑄造過(guò)濾之后，英、日、德、瑞士等國(guó)家競(jìng)相開(kāi)展了研究，生產(chǎn)工藝日益先進(jìn)，技術(shù)裝備越來(lái)越向機(jī)械化、自動(dòng)化開(kāi)展，已研制出多種材質(zhì)，適合于不同用途的泡沫陶瓷過(guò)濾器，如氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅、硼化物等高溫泡沫陶瓷，產(chǎn)品已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成了一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，我國(guó)在20世紀(jì)80年代初開(kāi)展泡沫陶瓷研究工作。近20年來(lái)，先后有十幾家科研機(jī)構(gòu)和廠家報(bào)道了泡沫陶瓷制品的研究。但是我國(guó)的泡沫陶瓷從整體技術(shù)水平上與國(guó)外相比還有一定的差距。

4、泡沫陶瓷具有透過(guò)性好，比外表積大，密度小，開(kāi)口氣孔率高，耐高溫及耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛地應(yīng)用于熔融金屬過(guò)濾、隔熱材料、催化劑載體和吸音降噪等傳統(tǒng)領(lǐng)域以及傳感器、環(huán)境材料、生物材料等新興領(lǐng)域。泡沫陶瓷一般可以分為兩類，即開(kāi)孔(網(wǎng)狀)陶瓷材料以及閉孔陶瓷材料，這取決于各個(gè)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，那么稱之為開(kāi)孔陶瓷材料，其孔隙是相互連通的；如果存在固體壁面，那么泡沫體稱為閉孔陶瓷材料，其中的孔穴由連續(xù)的陶瓷基體相互分隔。但大局部泡沫陶瓷既存在開(kāi)孔孔隙又存在少量閉孔孔隙。一般來(lái)說(shuō)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

5、上的為宏孔材料1-6。2泡沫陶瓷的傳統(tǒng)制備工藝2.1添加造孔劑工藝通過(guò)在陶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(jīng)過(guò)燒結(jié)，造孔劑離開(kāi)基體而形成氣孔來(lái)制備泡沫陶瓷。7用這種方法可以制得形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品，但制品氣孔分布的均勻性較差。造孔劑的種類和參加量是該方法的關(guān)鍵，造孔劑分為有機(jī)造孔劑和無(wú)機(jī)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及各類碳粉、煤粉等，屬于無(wú)機(jī)造孔劑；天然纖維、高分子聚合物和有機(jī)酸等屬于有機(jī)造孔劑。2.2 發(fā)泡工藝發(fā)泡工藝的主要原理是在陶瓷粉料中加人適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑,通過(guò)化學(xué)反響產(chǎn)生揮發(fā)性氣體從而產(chǎn)生泡沫,然后再經(jīng)枯燥和燒成制得8。采用發(fā)

6、泡工藝可以制備形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品。這種工藝成形泡沫陶瓷較復(fù)雜,不易控制,且制備的泡沫陶瓷易出現(xiàn)粉化剝落現(xiàn)象，并含有大量閉口氣孔,因而在實(shí)際制備中較少被采用。2.3有機(jī)泡沫浸漬工藝該方法 基本思路是：首先將有機(jī)泡沫浸漬到陶瓷料漿中，然后經(jīng)過(guò)枯燥、燒成使有機(jī)泡沫脫離母體就可以獲得泡沫陶瓷。通過(guò)控制漿料性能，優(yōu)化無(wú)機(jī)粘結(jié)劑體系，嚴(yán)格控制漿料浸漬工藝過(guò)程，可以制備高性能的泡沫陶瓷制品。9該方法是目前泡沫陶瓷最理想的制備方法，用此種成形方法制備的泡沫陶瓷已在多個(gè)領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。但是有機(jī)前驅(qū)體浸漬法存在一個(gè)明顯的缺陷，即有機(jī)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陶瓷材料的孔徑和構(gòu)造。

7、針對(duì)此問(wèn)題，采用三維網(wǎng)狀有機(jī)泡沫材料為載體，首先用浸漬工藝制備出疏松多孔構(gòu)造坯體，并經(jīng)過(guò)排塑、預(yù)燒處理獲得具有一定強(qiáng)度的預(yù)制體，再通過(guò)對(duì)預(yù)制體進(jìn)展外表處理，可以很好地解決這一問(wèn)題10。有機(jī)泡沫浸漬法制備流程工藝圖如圖1所示。前驅(qū)體的制備陶瓷漿料的制備調(diào)漿浸漬和涂覆除漿重復(fù)涂覆枯燥燒結(jié)性能檢測(cè)外表處理圖1 有機(jī)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?yán)媚z化過(guò)程中膠體粒子的堆積以及凝膠處理、熱處理等過(guò)程中留下小氣孔，形成可控孔隙構(gòu)造。由溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，體系的粘度迅速增加，從而穩(wěn)定了已經(jīng)產(chǎn)生的氣泡，有利于發(fā)泡。納米級(jí)的微孔陶瓷材料，氣孔分布均勻，現(xiàn)已成為無(wú)機(jī)別離膜制備工藝

8、中最為活潑的研究領(lǐng)域。如表1所示為幾種泡沫陶瓷制備工藝的比較11。表1 幾種泡沫陶瓷制備工藝的比較成型工藝孔徑氣孔率/%優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用實(shí)例添加造孔劑工藝10m1mm050采用不同的成型方法，可制得形狀復(fù)雜的制品可制備各種氣孔構(gòu)造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(guò)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(qiáng)度高對(duì)原料要求高，工藝條件不易控制輕質(zhì)建材保溫材料有機(jī)泡沫浸漬工藝100m5mm7090能夠制備高氣孔率制品，試樣強(qiáng)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(guò)濾器溶膠-凝膠工藝 2100mm095適于制備微

9、孔陶瓷，制備薄膜材料，氣孔分布均勻原料受限制，生產(chǎn)率低，制品形狀受限制微孔別離膜3 泡沫陶瓷的新興制備工藝3.1凝膠注模工藝美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次提出了凝膠注模工藝(Gel-casting)，它是一種被廣泛應(yīng)用的新型成型方法。這種新的成型技術(shù)采用非孔模具，利用料漿內(nèi)部或少量添加劑的化學(xué)反響使陶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。作為制備多孔陶瓷的一種新型方法，懸浮體泡沫化是最經(jīng)濟(jì)的，原位聚合固化所形成的素坯具有內(nèi)部網(wǎng)狀構(gòu)造，強(qiáng)度較高。3.2自蔓延高溫合成工藝自蔓延

10、高溫合成(Self-propagatingHigh-tempera-tureSynthesis,SHS)方法的概念是由前蘇聯(lián)科學(xué)家A.G.Mazhanov在1967年首先提出來(lái)的。SHS的本質(zhì)是一種高放熱無(wú)機(jī)化學(xué)反響，其 基本反響過(guò)程是:向體系提供必要能量(點(diǎn)火)，誘發(fā)體系局部產(chǎn)生化學(xué)反響，此后，這一化學(xué)反響過(guò)程在自身放出的高熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)展，最后將燃燒(反響)波蔓延到整個(gè)體系，從而制備出所需的陶瓷材料。材料的SHS技術(shù)以其高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和所得材料的良好性能特點(diǎn)而倍受重視，另外，SHS反響產(chǎn)物通常具有很高的孔隙率，用這一特點(diǎn)可用來(lái)制備具有多孔連續(xù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的陶瓷材料，通過(guò)添加造孔劑可進(jìn)一步

11、提高產(chǎn)物的連通開(kāi)放孔隙率。3.3 冷凍枯燥工藝這種基于冷凍原理的陶瓷制備工藝可以制備具有復(fù)雜孔構(gòu)造的泡沫陶瓷。其原理是在陶瓷漿料冷凍的同時(shí)?？刂凭w冰單向生長(zhǎng)，在低壓條件下進(jìn)展枯燥處理，此時(shí)溶劑冰升華排出，坯體中形成定向排布的孔構(gòu)造，之后進(jìn)展燒結(jié)。該工藝的特點(diǎn)是坯體燒成收縮小，燒成控制簡(jiǎn)單，孔構(gòu)造可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，制品機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較好。Takayukki Fukasawa12等以水為溶劑，制備出同時(shí)具有宏觀氣孔和微觀氣孔的復(fù)雜孔構(gòu)造氧化鋁陶瓷，制備工藝中隊(duì)環(huán)境不產(chǎn)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(yīng)用前景。此外,還有諸如擠出成型法、固相燒結(jié)法、孔梯度制備法、泡

12、沫前體反響法、有機(jī)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(gòu)架法等泡沫陶瓷制備方法。4泡沫陶瓷的應(yīng)用泡沫陶瓷的應(yīng)用開(kāi)場(chǎng)于19世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)僅被用作鈾提純材料和細(xì)菌過(guò)濾材料。隨著泡沫陶瓷的使用范圍不斷擴(kuò)大，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，由過(guò)濾、熱工等領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到隔熱、吸音、電子、光電、傳感、環(huán)境生物及化學(xué)領(lǐng)域。4.1 微孔膜陶瓷別離膜所具有的耐酸堿、耐侵蝕、耐高溫、抗老化、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)已被人們所認(rèn)識(shí),并被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于食品工業(yè)、生物化工、能源工程、環(huán)境工程、電子技術(shù)等許多領(lǐng)域。隨著材料科學(xué)的開(kāi)展,納米級(jí)多孔無(wú)機(jī)膜的制備和應(yīng)用成為人們目前研究的熱點(diǎn)

13、。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陶瓷材料的研究。用添加造孔劑和制作泡沫陶瓷的方法制備多孔羥基磷灰石生物陶瓷，其相互連通的孔隙有利于組織液的微循環(huán)，促進(jìn)細(xì)胞的滲入和生長(zhǎng)。目前,研制出的泡沫陶瓷羥基磷灰石人工骨和義眼已經(jīng)用于臨床實(shí)驗(yàn),引起了醫(yī)學(xué)界和材料學(xué)界的關(guān)注。4.3 食品、衛(wèi)生行業(yè)用泡沫陶瓷材料 泡沫陶瓷由于具有耐高溫、耐腐蝕和良好的生物、化學(xué)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(zhì)等生理活性物質(zhì)的濃縮、別離、精制等。在食品、飲料工業(yè)中,特別適用于對(duì)色、香、味要求高的飲料及低度酒類的過(guò)濾,并可望在啤酒的生產(chǎn)中發(fā)揮巨大的作用。 4.4 環(huán)境材料 隨著

14、現(xiàn)代工業(yè)的開(kāi)展，各行各業(yè)在生產(chǎn)中排放的有害氣體和廢水也越來(lái)越多，如果處理不當(dāng)，就會(huì)嚴(yán)重影響人類的生存環(huán)境，所以環(huán)境保護(hù)成為時(shí)代的主題。泡沫陶瓷在汽車催化轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用已經(jīng)有很長(zhǎng)時(shí)間。除臭用泡沫陶瓷催化器能使廢水中有機(jī)溶劑、惡臭氣體催化燃燒，到達(dá)除臭凈化的目的。采用耐高溫且有足夠強(qiáng)度的抗熱震性能的高滲透性泡沫陶瓷可有效除去高溫含塵氣體。城市污水處理過(guò)程中，泡沫陶瓷材料也成為曝氣處理所用材料。4.5 隔熱材料 泡沫陶瓷具有熱傳導(dǎo)率低、抗熱震性能優(yōu)良等特性，是一種理想的耐熱材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐熱材料為耐熱磚，其材質(zhì)有氧化鋯、碳化硅、鎂鹽及鈣鹽等，使用溫度高達(dá)1600，是目前世界上最好的隔熱材料

15、，稱之為“超級(jí)絕熱材料,被應(yīng)用于航天飛機(jī)外殼的隔熱及導(dǎo)彈頭的強(qiáng)迫發(fā)汗等。4.6 燃燒器泡沫陶瓷近年的又一個(gè)新用途是作為多孔介質(zhì)燃燒器。13泡沫陶瓷材料具有良好的熱交換性，可以降低火焰溫度，惰性泡沫陶瓷外表內(nèi)或接近多孔陶瓷外表處進(jìn)展預(yù)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(shí)該種燃燒器可以使用多種燃料，具有良好的適應(yīng)性。5 泡沫陶瓷的研究進(jìn)展和趨勢(shì)20世紀(jì)70年代美國(guó)最早利用氧化鋁、高嶺土研制成功泡沫陶瓷，泡沫陶瓷被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、環(huán)保、節(jié)能、電子等領(lǐng)域，給工業(yè)和生活帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和生活效益。泡沫陶瓷優(yōu)良的應(yīng)用價(jià)值引起了科技界的重視，各國(guó)都開(kāi)場(chǎng)了相關(guān)的研究工作。我國(guó)開(kāi)展

16、泡沫陶瓷研究工作始于20世紀(jì)80年代初，雖然局部產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，但由于我國(guó)的泡沫陶瓷起步較晚，與國(guó)外技術(shù)開(kāi)展及產(chǎn)品質(zhì)量相比尚有一定差距，有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步研究解決。(1)目前，泡沫陶瓷的主要用途不要僅僅局限于傳統(tǒng)的“過(guò)濾、吸附作用，還應(yīng)該開(kāi)發(fā)諸如基于泡沫陶瓷的孔道效應(yīng)、構(gòu)造效應(yīng)、離子交換效應(yīng)、氧化復(fù)原效應(yīng)、納米尺寸效應(yīng)等以及綜合開(kāi)發(fā)其相關(guān)的應(yīng)用。(2)長(zhǎng)期以來(lái)泡沫陶瓷材料一直被用作構(gòu)造材料、阻隔材料、催化劑載體、吸附劑等。但隨著納米技術(shù)的迅速開(kāi)展,三維高度有序的泡沫陶瓷材料由于其在光電子、新型催化劑、高效吸收劑和別離介質(zhì)、電極材料、生物醫(yī)用領(lǐng)域的種種潛在的用途而倍受矚目，但是如何把納

17、米顆粒組裝成三維高度有序的材料還是一個(gè)新的課題。(3)泡沫陶瓷，特別是閉氣孔的泡沫陶瓷材料是很好的吸能、隔熱、抗沖擊材料。歐洲、日本、美國(guó)先后有大量的關(guān)于閉孔陶瓷的專利出現(xiàn)，但是基于應(yīng)用方面的報(bào)道較少。所以，應(yīng)該加大對(duì)閉孔泡沫陶瓷材料的研究力度。還有諸如泡沫陶瓷材料的強(qiáng)度和剛度、抑制掉渣、孔徑尺寸的精細(xì)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(lái)改善泡沫陶瓷材料的制備工藝等方面，需要進(jìn)一步提高。可以預(yù)見(jiàn),各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Χ嗫滋沾尚枨蟮牟粩鄶U(kuò)大及對(duì)高性能多孔陶瓷的迫切需要，特別是本世紀(jì)開(kāi)展生物技術(shù)及控制和改善環(huán)境的呼聲不斷高漲，將會(huì)促進(jìn)多孔陶瓷的飛速開(kāi)展，為多孔陶瓷的應(yīng)用開(kāi)

18、創(chuàng)更廣闊的前景。參考文獻(xiàn)1Altinkok N, Demir A, Ozsert I. Processing of Al2O3/SiC ceramic cake performs and their 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- 2

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