泡沫陶瓷材料的研究进展

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1、泡沫陶瓷材料的研究进展摘 要: 介绍了泡沫陶瓷的特性、 制造工艺， 并列举了泡沫陶瓷在几个方面的主要应用。指出了当前陶瓷材料的研究热点和今后发展需要解决的问题。关键词: 泡沫陶瓷；制备；应用；进展 泡沫陶瓷材料的发展始于 20世纪 70 年代，它是一种具有三维空间网络结构的高孔隙率的多孔陶瓷材料。 其孔径从0.13mm 不等， 孔率范围在65%85%之间， 使用温度可以从常温一直到 1600。泡沫陶瓷一般可以分为 2 类，即开孔 （ 网状）陶瓷及闭孔陶瓷， 这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中，则称之为开孔陶瓷，其孔隙是相互连通的2 如果存在着固体壁面， 则称

2、为闭孔陶瓷， 其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔。但大部分泡沫陶瓷既存在开孔孔隙又存在少量闭孔孔隙。泡沫陶瓷是具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体，其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海绵体 。由于它具有气孔率高、 比表面积大、 抗热震性、 耐高温、 耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能， 可广泛应用于热交换材料、 布气材料、 汽车尾气净化装置、 冶金工业熔融态金属过滤 如铝合金、 铜合金、 钢水、 铁水等 、 热能回收 如钢材连续加热炉上的热交换器、 燃煤锅炉烟尘的隔热交换和过滤除尘 、 工业污水处理 如采矿业处理带毒气的液体 ， 隔热、 隔音材料等。近年来， 泡沫陶瓷材料的应用领

3、域又扩展到航空领域、 电子领域、 医用材料领域及生物化学领域等 。 泡沫陶瓷的广泛应用已引起了全球材料界的高度重视，制备高强度、 孔径均匀、 性能稳定、 高度有序的泡沫陶瓷体， 拓宽和开发泡沫陶瓷在国内各行业中的应用， 无疑是十分必要的。自1978年美国发明了利用氧化铝、 高岭土之类陶瓷原料研制成功泡沫陶瓷并用于熔融铝合金铸造过滤之后， 英、 日、 德、 瑞士等国家竞相开展了生产工艺的研究， 技术装备越来越向机械化、 自动化发展。 目前， 已研制出多种材质、 适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤材料，如：Al2O3 ，Zro2 ，SiC ， 莫来石， 堇青石， 氮化硅以及硼化物等高温泡沫陶瓷材料， 产

4、品已系列化、 标准化， 形成了一个新兴产业。我国在 20世纪 80年代初开展泡沫陶瓷研究工作， 并取得较大进展， 部分产品已经标准化、 系列化。 但是我国的泡沫陶瓷从整体技术水平上与国外相比尚有一定差距。1泡沫陶瓷材料传统制备工艺方法 泡沫陶瓷材料的制备方法很多， 其中应用比较成功的有： 有机物燃失法、 添加造孔剂方法、 发泡方法、 有机前驱体浸渍法及溶胶 凝胶方法等。在实际生产中， 往往同时采用多种工艺方法， 以提高产品的气孔率 。1.1发泡法 采用反应发泡的方法，可以制备形状复杂的泡沫陶瓷制品， 以满足一些特殊场合的应用。 在陶瓷粉料中加入适当的陶瓷纤维， 有望改善这一工艺， 有效增加坯体

5、在烧结过程中的强度， 避免粉化和塌陷。 发泡反应法成型泡沫陶瓷工艺较复杂， 不易控制， 且制备的泡沫陶瓷易出现粉化剥落现象并含有大量闭孔气孔，因而在实际制备中较少被采用。1.2溶胶-凝胶法 溶胶 凝胶方法主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料。同时本方法经改进后也可以制备高规整度泡沫陶瓷材料。 运用溶胶 凝胶技术制备泡沫材料，在溶胶向凝胶的转化过程中， 体系的粘度迅速增加， 从而稳定了前期产生的气泡， 有利于发泡 。该工艺与其它工艺相比有其独特之处， 它可以制备孔径在纳米级、气孔分布均匀的泡沫陶瓷薄膜。1.3添加造孔剂工艺 此工艺是通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，

6、 然后经过烧结， 造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫陶瓷 。造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫陶瓷材料气孔的形状和大小。 其成型方法主要有模压、 挤压、 等静压、 注射和粉料浇注等。利用这种方法可以制得形状复杂的泡沫陶瓷制品， 但制品气孔分布的均匀性较差。 添加造孔剂法制备泡沫陶瓷的工艺流程与普通的陶瓷工艺流程相比，这种工艺方法的关键在于造孔剂种类和用量的选择。1.4有机前驱体浸渍法 目前泡沫陶瓷最理想的制备方法是有机前驱体浸渍法， 这一点已被许多研究者所证实， 用此种成型方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域获得大量应用。该方法通过控制浆料性能， 优化无机粘结剂体系， 严格控制浆料浸渍工艺过程， 可以

7、制备高性能的泡沫陶瓷制品。但是有机前驱体浸渍法工艺存在一个明显的缺陷，即制品的孔隙结构尤其是孔径取决于所选有机泡沫体的孔隙结构和孔径大小。而目前所供选用的有机泡沫体的网眼尺寸是有限的，这在一定程度上制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径和结构。朱新文等 采用三维网状有机泡沫材料为载体，先用浸渍工艺制备出高孔隙率且几乎没有堵孔的网眼坯体， 经排塑、 预烧处理获得具有一定强度的预制体。预制体的孔棱呈疏松多孔结构， 通过对预制体进行进一步表面处理， 很好地解决了这一问题。2制备工艺发展2.1凝胶注模工艺美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺。它是一种被广泛应用的新型成形方法。 这种成形技术采用非孔模具，

8、利用料浆内部或少量添加剂的化学反应作用从而使陶瓷料浆原位凝固形成坯体， 获得具有良好微观均匀性和形状的坯体， 从而显著提高材料的可靠性。 工艺可以使悬浮体泡沫化且能使液体泡沫原位聚合固化。作为制备泡沫陶瓷的一种新型方法， 悬浮体泡沫化是最经济的，原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构且强度较高。2.2自蔓延高温合成工艺 自蔓延高温合成 方法的概念是由前苏联科学家Mazhanova G在 1967 年首先提出来的SHS的本质是一种高放热无机化学反应， 其基本反应过程是： 向体系提供必要能量5点火6， 诱发体系局部产生化学反应，此后，这一化学反应过程在自身放出的高热量的支持下继续进行， 最后将燃

9、烧5反应6波蔓延到整个体系， 从而制备出所需的陶瓷材料。BCB 技术以其高效、 节能、经济和所得材料的良好性能等特点而倍受瞩目。 另外，BCB 反应产物通常具有很高的孔隙率，常利用这一特点来制备具有多孔连续网络结构的陶瓷材料，而且通过添加造孔剂可进一步提高制品的开孔孔隙率. 另外，还有诸如泡沫前驱体反应法、有机泡沫堆积法、水热 -热静压工艺、微波加热工艺、分相滤出法、固 -气共晶法、木材热解构架法等泡沫陶瓷制备方法。3泡沫陶瓷材料的应用 泡沫陶瓷的应用开始于19世纪70 年代， 当时主要用于高温熔融合金过滤， 后来， 随着泡沫陶瓷使用范围的不断扩大，其应用领域也逐渐扩大，由过滤、热工等领域逐渐

10、扩展到隔热、 吸音、 电子、 光电、 传感、 环境生物及化学领域，关于泡沫陶瓷材料在新领域应用的报道很多， 较新的应用领域归纳起来主要有以下几种。3.1环境材料 随着现代工业的发展，各行业在生产中排放的有害气体和废水也越来越多， 如果处理不当， 就会影响到人类的生存环境， 所以环境保护成为时代的主题。 泡沫陶瓷在汽车催化转化器的应用已经有很长时间；除臭用泡沫陶瓷催化器能使废水中有机溶剂、恶臭气体催化燃烧， 达到除臭净化的目的； 采用耐高温且有足够强度的抗热震性的高渗透性泡沫陶瓷可有效地除去高温含尘气体中的杂质。3.2隔热材料 在泡沫陶瓷中由于闭气孔的存在，降低了其放热效率， 减少了热传播过程中

11、的对流， 使泡沫陶瓷具有热传导率低、 抗热震性能优良等特性， 是一种理想的耐热材料。 由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖， 其材质有ZrO2,SiC,Si3N4和镁质材料等，使用温度高达1600。目前， 世界上最好的隔热材料正是这类材料，称之为 “ 超级绝热材料” ，被应用于航天飞机外壳的隔热等。3.3汽车尾气净化处理器催化剂载体 汽车尾气排放是我国环境污染的主要来源之一。由于泡沫陶瓷具有比表面积高、 热稳定性好、 不易中毒， 被广泛应用于汽车尾气催化净化器载体。 当泡沫陶瓷滤芯积满碳粒时，可以采用催化氧化法或电控燃烧法再生， 延长使用寿命。3.4燃烧器 泡沫陶瓷材料近来的又一个用途是作为多

12、孔介质燃烧器。因其通过陶瓷材料提供的良好热交换降低了火焰温度，故在惰性多孔陶瓷表面内或在接近多孔陶瓷表面处进行各种燃料的预混合燃烧，从而节省了能量， 并显著降低了COx 和NOx 排放。3.5吸声材料 泡沫陶瓷具有大量三维空间网络结构的孔隙。声波传入多孔体内部后，引起孔隙中的空气产生振动并使陶瓷筋络发生摩擦。 由于粘滞作用， 声波转变为热量而消失， 从而达到吸收声音的效果。4问题及展望 具有优良性能的泡沫陶瓷材料已经被越来越多人所认识， 被广泛应用于冶金、 化工、 环保、 节能、 医学、 电子等领域，给现代工业和现代生活带来了极大的经济和社会效益。 泡沫陶瓷制造工艺简单， 通过材质的选择和工艺

13、控制，可以制成适合于不同用途的泡沫陶瓷产品， 为了更好的利用泡沫陶瓷材料， 存在的一些问题绝对不应该忽视。4.1理论基础研究 近年来多孔材料研究正成为材料领域中一个非常活跃的分支， 取得了大量的研究成果。 国外于上世纪出版了 Cellular Solids专著，主要介绍近年来多孔材料制备、应用方面的进展。2004年清华大学刘培生教授出版了 多孔材料引论 一书， 志在“ 抛砖引玉” 。 但是针对多孔材料，特别是针对泡沫陶瓷的深层次理论研究不多，这在很大程度上制约了泡沫陶瓷及其它多孔材料的深入研究和广泛应用。 因此， 应加大多孔材料的基础理论研究， 以促进多孔材料研发。4.2应用领域研究 目前，泡

14、沫陶瓷的主要用途主要还是局限于传统的过滤作用， 应用领域受到一定限制， 今后还应进一步开发诸如基于泡沫陶瓷的结构效应、 离子交换效应、 催化效应、纳米尺寸效应等以及综合效应来开发其相关的应用， 拓宽泡沫陶瓷材料的应用领域。4.3三维高度有序研究 泡沫陶瓷材料长期以来一直被用作结构材料、 过滤材料、 催化剂载体等。 但随着纳米技术的迅速发展， 三维高度有序的泡沫陶瓷材料由于其在光电子、新型催化剂、高效吸收剂和分离介质、生物医用领域种种潜在的用途而倍受关注， 如何采用纳米颗粒组装成三维高度有序的材料给材料科学家们提出了一个新的课题。4.4闭气孔的泡沫陶瓷研究 泡沫陶瓷，特别是闭气孔的泡沫陶瓷材料是很好的吸能、 隔热、 抗冲击材料。欧洲、 日本、 美国先后有大量的关于闭孔陶瓷的专利出现，一般还较多停留在实验室阶段， 基于应用方面的报道较少。 针对这一领域的研究在国内更少，基本没有专门关于闭孔的文献报道。 所以， 应该加大对闭孔泡沫陶瓷材料的研究力度。另外， 在如何提高泡沫陶瓷材料的强度和刚度、 克服其掉渣、 精密控制孔径尺寸、 提高材料的使用温度、 移植泡沫金属和泡沫塑料等其它泡沫材料的工艺来改善泡沫陶瓷材料的制备工艺等方面还需要进一步研究。可以预见， 随着各应用领域对泡沫陶瓷需求的不断扩大，特别是本世纪发展生物技术及控制和改善环境的呼声不断高涨， 泡沫陶瓷材料将得到飞速发展。精美排版