泡沫陶瓷材料的研究進(jìn)展

1、泡沫陶瓷材料的研究進(jìn)展摘要: 介紹了泡沫陶瓷的特性、制造工藝,并列舉了泡沫陶瓷在幾個(gè)方面的主要應(yīng)用。指出了當(dāng)前陶瓷材料的研究熱點(diǎn)和今后發(fā)展需要解決的問(wèn)題。關(guān)鍵詞: 泡沫陶瓷;制備;應(yīng)用;進(jìn)展泡沫陶瓷材料的發(fā)展始于20世紀(jì)70 年代,它是一種具有三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高孔隙率的多孔陶瓷材料。其孔徑從0.13mm 不等,孔率范圍在65%85%之間,使用溫度可以從常溫一直到1600。泡沫陶瓷一般可以分為 2 類,即開(kāi)孔(網(wǎng)狀陶瓷及閉孔陶瓷,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,則稱之為開(kāi)孔陶瓷,其孔隙是相互連通的2 如果存在著固體壁面,則稱為閉孔陶瓷,其中的孔穴由連續(xù)的

2、陶瓷基體相互分隔。但大部分泡沫陶瓷既存在開(kāi)孔孔隙又存在少量閉孔孔隙。泡沫陶瓷是具有三維空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的高氣孔率的多孔陶瓷體,其造型猶如鋼化了的泡沫塑料或瓷化了的海綿體。由于它具有氣孔率高、比表面積大、抗熱震性、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕及良好的機(jī)械強(qiáng)度和過(guò)濾吸附性能,可廣泛應(yīng)用于熱交換材料、布?xì)獠牧?、汽?chē)尾氣凈化裝置、冶金工業(yè)熔融態(tài)金屬過(guò)濾如鋁合金、銅合金、鋼水、鐵水等、熱能回收如鋼材連續(xù)加熱爐上的熱交換器、燃煤鍋爐煙塵的隔熱交換和過(guò)濾除塵、工業(yè)污水處理如采礦業(yè)處理帶毒氣的液體,隔熱、隔音材料等。近年來(lái),泡沫陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域又?jǐn)U展到航空領(lǐng)域、電子領(lǐng)域、醫(yī)用材料領(lǐng)域及生物化學(xué)領(lǐng)域等。泡沫陶瓷的廣泛應(yīng)用已

3、引起了全球材料界的高度重視,制備高強(qiáng)度、孔徑均勻、性能穩(wěn)定、高度有序的泡沫陶瓷體,拓寬和開(kāi)發(fā)泡沫陶瓷在國(guó)內(nèi)各行業(yè)中的應(yīng)用,無(wú)疑是十分必要的。自1978年美國(guó)發(fā)明了利用氧化鋁、高嶺土之類陶瓷原料研制成功泡沫陶瓷并用于熔融鋁合金鑄造過(guò)濾之后,英、日、德、瑞士等國(guó)家競(jìng)相開(kāi)展了生產(chǎn)工藝的研究,技術(shù)裝備越來(lái)越向機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展。目前,已研制出多種材質(zhì)、適合于不同用途的泡沫陶瓷過(guò)濾材料,如:Al2O3 ,Zro2 ,SiC ,莫來(lái)石,堇青石,氮化硅以及硼化物等高溫泡沫陶瓷材料,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,并取得較大進(jìn)展,部分產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列

4、化。但是我國(guó)的泡沫陶瓷從整體技術(shù)水平上與國(guó)外相比尚有一定差距。1泡沫陶瓷材料傳統(tǒng)制備工藝方法泡沫陶瓷材料的制備方法很多,其中應(yīng)用比較成功的有:有機(jī)物燃失法、添加造孔劑方法、發(fā)泡方法、有機(jī)前驅(qū)體浸漬法及溶膠凝膠方法等。在實(shí)際生產(chǎn)中,往往同時(shí)采用多種工藝方法,以提高產(chǎn)品的氣孔率。1.1發(fā)泡法采用反應(yīng)發(fā)泡的方法,可以制備形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品,以滿足一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用。在陶瓷粉料中加入適當(dāng)?shù)奶沾衫w維,有望改善這一工藝,有效增加坯體在燒結(jié)過(guò)程中的強(qiáng)度,避免粉化和塌陷。發(fā)泡反應(yīng)法成型泡沫陶瓷工藝較復(fù)雜,不易控制,且制備的泡沫陶瓷易出現(xiàn)粉化剝落現(xiàn)象并含有大量閉孔氣孔,因而在實(shí)際制備中較少被采用。1.2溶膠

5、-凝膠法溶膠凝膠方法主要用來(lái)制備孔徑在納米級(jí)的微孔陶瓷材料。同時(shí)本方法經(jīng)改進(jìn)后也可以制備高規(guī)整度泡沫陶瓷材料。運(yùn)用溶膠凝膠技術(shù)制備泡沫材料,在溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)化過(guò)程中,體系的粘度迅速增加,從而穩(wěn)定了前期產(chǎn)生的氣泡,有利于發(fā)泡。該工藝與其它工藝相比有其獨(dú)特之處,它可以制備孔徑在納米級(jí)、氣孔分布均勻的泡沫陶瓷薄膜。1.3添加造孔劑工藝此工藝是通過(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。造孔劑顆粒的形狀和大小決定了泡沫陶瓷材料氣孔的形狀和大小。其成型方法主要有模壓、擠壓、等靜壓、注射和粉料澆注等。利用這種方法可以制得形狀復(fù)雜的泡沫

6、陶瓷制品,但制品氣孔分布的均勻性較差。添加造孔劑法制備泡沫陶瓷的工藝流程與普通的陶瓷工藝流程相比,這種工藝方法的關(guān)鍵在于造孔劑種類和用量的選擇。1.4有機(jī)前驅(qū)體浸漬法目前泡沫陶瓷最理想的制備方法是有機(jī)前驅(qū)體浸漬法,這一點(diǎn)已被許多研究者所證實(shí),用此種成型方法制備的泡沫陶瓷已在多個(gè)領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。該方法通過(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。但是有機(jī)前驅(qū)體浸漬法工藝存在一個(gè)明顯的缺陷,即制品的孔隙結(jié)構(gòu)尤其是孔徑取決于所選有機(jī)泡沫體的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑大小。而目前所供選用的有機(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結(jié)

7、構(gòu)。朱新文等采用三維網(wǎng)狀有機(jī)泡沫材料為載體,先用浸漬工藝制備出高孔隙率且?guī)缀鯖](méi)有堵孔的網(wǎng)眼坯體,經(jīng)排塑、預(yù)燒處理獲得具有一定強(qiáng)度的預(yù)制體。預(yù)制體的孔棱呈疏松多孔結(jié)構(gòu),通過(guò)對(duì)預(yù)制體進(jìn)行進(jìn)一步表面處理,很好地解決了這一問(wèn)題。2制備工藝發(fā)展2.1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。它是一種被廣泛應(yīng)用的新型成形方法。這種成形技術(shù)采用非孔模具,利用料漿內(nèi)部或少量添加劑的化學(xué)反應(yīng)作用從而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形狀的坯體,從而顯著提高材料的可靠性。工藝可以使懸浮體泡沫化且能使液體泡沫原位聚合固化。作為制備泡沫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

8、合固化所形成的素坯具有內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且強(qiáng)度較高。2.2自蔓延高溫合成工藝自蔓延高溫合成方法的概念是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Mazhanova G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)反應(yīng),其基本反應(yīng)過(guò)程是:向體系提供必要能量5點(diǎn)火6,誘發(fā)體系局部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),此后,這一化學(xué)反應(yīng)過(guò)程在自身放出的高熱量的支持下繼續(xù)進(jìn)行,最后將燃燒5反應(yīng)6波蔓延到整個(gè)體系,從而制備出所需的陶瓷材料。BCB 技術(shù)以其高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和所得材料的良好性能等特點(diǎn)而倍受矚目。另外,BCB 反應(yīng)產(chǎn)物通常具有很高的孔隙率,常利用這一特點(diǎn)來(lái)制備具有多孔連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷材料,而且通過(guò)添加造孔劑可進(jìn)一步提高制品的開(kāi)孔孔隙率

9、.另外,還有諸如泡沫前驅(qū)體反應(yīng)法、有機(jī)泡沫堆積法、水熱-熱靜壓工藝、微波加熱工藝、分相濾出法、固-氣共晶法、木材熱解構(gòu)架法等泡沫陶瓷制備方法。3泡沫陶瓷材料的應(yīng)用泡沫陶瓷的應(yīng)用開(kāi)始于19世紀(jì)70 年代,當(dāng)時(shí)主要用于高溫熔融合金過(guò)濾,后來(lái),隨著泡沫陶瓷使用范圍的不斷擴(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,關(guān)于泡沫陶瓷材料在新領(lǐng)域應(yīng)用的報(bào)道很多,較新的應(yīng)用領(lǐng)域歸納起來(lái)主要有以下幾種。3.1環(huán)境材料隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,各行業(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)影響到人類的生存環(huán)境,所以環(huán)境保護(hù)成為時(shí)代的主題。泡沫

10、陶瓷在汽車(chē)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,達(dá)到除臭凈化的目的;采用耐高溫且有足夠強(qiáng)度的抗熱震性的高滲透性泡沫陶瓷可有效地除去高溫含塵氣體中的雜質(zhì)。3.2隔熱材料在泡沫陶瓷中由于閉氣孔的存在,降低了其放熱效率,減少了熱傳播過(guò)程中的對(duì)流,使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ZrO2,SiC,Si3N4和鎂質(zhì)材料等,使用溫度高達(dá)1600。目前,世界上最好的隔熱材料正是這類材料,稱之為“超級(jí)絕熱材料”,被應(yīng)用于航天飛機(jī)外殼的隔熱等。3.3汽車(chē)尾氣凈化處理器催化劑載體

11、汽車(chē)尾氣排放是我國(guó)環(huán)境污染的主要來(lái)源之一。由于泡沫陶瓷具有比表面積高、熱穩(wěn)定性好、不易中毒,被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)尾氣催化凈化器載體。當(dāng)泡沫陶瓷濾芯積滿碳粒時(shí),可以采用催化氧化法或電控燃燒法再生,延長(zhǎng)使用壽命。3.4燃燒器泡沫陶瓷材料近來(lái)的又一個(gè)用途是作為多孔介質(zhì)燃燒器。因其通過(guò)陶瓷材料提供的良好熱交換降低了火焰溫度,故在惰性多孔陶瓷表面內(nèi)或在接近多孔陶瓷表面處進(jìn)行各種燃料的預(yù)混合燃燒,從而節(jié)省了能量,并顯著降低了COx 和NOx 排放。3.5吸聲材料泡沫陶瓷具有大量三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的孔隙。聲波傳入多孔體內(nèi)部后,引起孔隙中的空氣產(chǎn)生振動(dòng)并使陶瓷筋絡(luò)發(fā)生摩擦。由于粘滯作用,聲波轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷?從而達(dá)

12、到吸收聲音的效果。4問(wèn)題及展望具有優(yōu)良性能的泡沫陶瓷材料已經(jīng)被越來(lái)越多人所認(rèn)識(shí),被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、環(huán)保、節(jié)能、醫(yī)學(xué)、電子等領(lǐng)域,給現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代生活帶來(lái)了極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。泡沫陶瓷制造工藝簡(jiǎn)單,通過(guò)材質(zhì)的選擇和工藝控制,可以制成適合于不同用途的泡沫陶瓷產(chǎn)品,為了更好的利用泡沫陶瓷材料,存在的一些問(wèn)題絕對(duì)不應(yīng)該忽視。4.1理論基礎(chǔ)研究近年來(lái)多孔材料研究正成為材料領(lǐng)域中一個(gè)非?；钴S的分支,取得了大量的研究成果。國(guó)外于上世紀(jì)出版了Cellular Solids專著,主要介紹近年來(lái)多孔材料制備、應(yīng)用方面的進(jìn)展。2004年清華大學(xué)劉培生教授出版了多孔材料引論一書(shū),志在“拋磚引玉”。但是針對(duì)多孔

13、材料,特別是針對(duì)泡沫陶瓷的深層次理論研究不多,這在很大程度上制約了泡沫陶瓷及其它多孔材料的深入研究和廣泛應(yīng)用。因此,應(yīng)加大多孔材料的基礎(chǔ)理論研究,以促進(jìn)多孔材料研發(fā)。4.2應(yīng)用領(lǐng)域研究目前,泡沫陶瓷的主要用途主要還是局限于傳統(tǒng)的過(guò)濾作用,應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制,今后還應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)諸如基于泡沫陶瓷的結(jié)構(gòu)效應(yīng)、離子交換效應(yīng)、催化效應(yīng)、納米尺寸效應(yīng)等以及綜合效應(yīng)來(lái)開(kāi)發(fā)其相關(guān)的應(yīng)用,拓寬泡沫陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域。4.3三維高度有序研究泡沫陶瓷材料長(zhǎng)期以來(lái)一直被用作結(jié)構(gòu)材料、過(guò)濾材料、催化劑載體等。但隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)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、高效吸收劑和分離介質(zhì)、生物醫(yī)用領(lǐng)域種種潛在的用途而倍受關(guān)注,如何采用納米顆粒組裝成三維高度有序的材料給材料科學(xué)家們提出了一個(gè)新的課題。4.4閉氣孔的泡沫陶瓷研究泡沫陶瓷,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),一般還較多停留在實(shí)驗(yàn)室階段,基于應(yīng)用方面的報(bào)道較少。