多孔陶瓷(功能材料與器件第四組演講)

1、多孔陶瓷 第四組 日期：2013.11.23 多孔陶瓷各方面的特性目錄多孔陶瓷多孔陶瓷多孔陶瓷的定義和分類？如何制備多孔陶瓷及其相關(guān)的工藝多孔陶瓷應(yīng)用何處以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)張德彩孫貴康陸冠宇鄺慶亮多孔陶瓷的定義？-張德彩n多孔陶瓷材料是以剛玉砂、碳化硅、堇青石等優(yōu)質(zhì)原料為主料、經(jīng)過(guò)成型和特殊高溫?zé)Y(jié)工藝制備的一種具有開(kāi)孔孔徑、高開(kāi)口氣孔率的一種多孔性陶瓷材料。多孔陶瓷的定義？n剛玉砂的主要化學(xué)成分是AL2O3，大家初高中的時(shí)候就知道，AL是一種很活潑的金屬，容易被腐蝕，當(dāng)然Fe也是，但是在常溫下為什么Fe被腐蝕了AL還沒(méi)有被腐蝕，是因?yàn)锳L能跟空氣的的氧氣和水分反應(yīng)形成致密的氧化薄膜AL2O3

2、.所以以剛玉砂為主料的多孔陶瓷它有較好的耐腐蝕性。多孔陶瓷的定義？n如果是以碳化硅為主料的多孔陶瓷，它具備的硬度會(huì)更大，碳化硅的硬度介于金剛石還有剛才說(shuō)過(guò)的剛玉之間，比剛玉硬，次于金剛石，還有最主要的是它的熔點(diǎn)，熔點(diǎn)大約在2700攝氏度，由此可見(jiàn)以碳化硅的為主料的多孔陶瓷有更好的耐高溫性。多孔陶瓷的定義？多孔陶瓷以氣相為主相，含有較多孔洞的功能陶瓷。利用孔洞結(jié)構(gòu)具有功能的無(wú)機(jī)非金屬材料。多孔陶瓷的分類方法n多孔陶瓷分類有很多種方法，目前沒(méi)有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)它的宏觀或者微觀特性，我們可以按材質(zhì)，孔徑,結(jié)構(gòu)和氣孔等分類n1.按材質(zhì)分類n2.按孔徑分類n3.按工藝分類n4.按氣孔分類多孔陶瓷的分

3、類方法多孔陶瓷的分類方法按氣孔分類多孔陶瓷微孔陶瓷介孔陶瓷宏孔陶瓷開(kāi)孔型閉孔型貫通孔型多孔陶瓷的特性-鄺慶亮n多孔陶瓷具有陶瓷基體的優(yōu)良性能，如高熔點(diǎn)、高硬度和剛度、高耐磨性、耐氧化和耐腐蝕，隔熱性好，電絕緣等。n具有巨大的氣孔率、氣孔表面以及可調(diào)節(jié)的氣孔形狀、氣孔孔徑及其分布，因而具有有相對(duì)密度低、比強(qiáng)度高、比表面積高、重量輕、隔音、滲透性好，具有吸附性等優(yōu)點(diǎn)。n還具有相匹配的優(yōu)良熱、電、磁、光、化學(xué)等功能特性。多孔陶瓷的物理吸附特性n氣體液體分子非常小，所以很容易通過(guò)疏松多孔的孔壁材料，而污染物的煙氣或污漬等顆粒物則被捕集在孔壁表面,因此多孔陶瓷具有過(guò)濾和吸附的特性。多孔陶瓷的生物特性n植

4、入的多孔陶瓷為骨單位提供支持框架 ,其相互連通的微孔有利于組織液的微循環(huán)并為羥基磷灰石深部的新生骨提供營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)纖維組織和新生骨的結(jié)合和生長(zhǎng)。 骨單位可以此為依托生長(zhǎng),骨缺陷可以重建和修復(fù) ，使多孔材料在孔隙形貌和結(jié)構(gòu)上與骨單位及脈管連接方式相一致,則會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)骨組織的重建 。多孔陶瓷的化學(xué)特性n催化劑必須涂覆在一種載體上才能有效的起作用，將催化劑負(fù)載于多孔陶瓷高比表面積的過(guò)渡層上就構(gòu)成了一組催化反應(yīng)器。n雖然起催化作用的是催化劑，但是多孔陶瓷支撐體起到了提供微催化反應(yīng)器和分散催化劑的重要作用。因催化反應(yīng)多在高溫高腐蝕的化學(xué)環(huán)境下工作，故多孔陶瓷本身的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等性能極好的幫助了催

5、化劑效能的發(fā)揮。多孔陶瓷的消聲特性n多孔陶瓷具有豐富的孔隙，當(dāng)聲波傳播到多孔陶瓷上時(shí)，在網(wǎng)狀的孔隙內(nèi)引起空氣的振動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)空氣與多孔陶瓷基體之間的摩擦，聲波的能量轉(zhuǎn)變成熱能而被消耗，從而達(dá)到消除噪聲的效果。即產(chǎn)生了消聲阻尼。多孔陶瓷的熱學(xué)特性n陶瓷是靠聲子傳熱，多孔缺陷會(huì)使聲子的散射截面增大，故多孔陶瓷的熱導(dǎo)率顯著降低，所以這種材料具有很好的隔熱保溫效果。n我們知道陶瓷遭遇到相對(duì)高的熱震溫差時(shí)由于熱應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。多孔陶瓷材料由于其高的氣孔分布有效提高了材料的抗熱震行為，抗熱沖擊性能。使陶瓷材料在高溫下表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)良機(jī)械性能得以大范圍應(yīng)用。多孔陶瓷的光學(xué)特性n例如用一般方法制備的長(zhǎng)

6、余輝發(fā)光材料化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，抗光性差，在一定濕度下會(huì)水解，以及硬聚團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重，應(yīng)用受到限制，但一種球狀超長(zhǎng)余輝光致發(fā)光多孔陶瓷材料及其合成方法解決了以往發(fā)光粉體經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后的硬團(tuán)聚，并提高了粉體的抗水解性能。n當(dāng)硅做成多孔陶瓷材料的多孔硅，則在室溫下用短波長(zhǎng)光激發(fā)，可以發(fā)出明亮的可見(jiàn)光。量子限域觀點(diǎn)認(rèn)為量子限域效應(yīng)使有效禁帶寬度增加造成多孔硅可見(jiàn)熒光發(fā)射。多孔陶瓷的電學(xué)特性n陶瓷材料本身具有電絕緣性，當(dāng)其多孔化泡沫化時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)使路徑迂回導(dǎo)致電阻率升高，故多孔陶瓷的絕緣電阻及絕緣破壞電壓高，可以應(yīng)用于需要高壓絕緣的地方。多孔陶瓷的磁學(xué)特性n多孔陶瓷還有一個(gè)令人矚目的特性就是其良好的微波吸收特性

7、，它對(duì)微波的吸收不僅來(lái)源于所選用陶瓷本身，而且還來(lái)源于具有相互連通開(kāi)口氣孔的網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)對(duì)微波能量的衰減。其結(jié)構(gòu)中存在復(fù)雜的孔道結(jié)構(gòu)，當(dāng)電磁波入射進(jìn)碳化硅多孔陶瓷時(shí)，局部電場(chǎng)被多孔陶瓷的孔筋散射和反射，電場(chǎng)的方向會(huì)發(fā)生改變,平行于和垂直于外部電場(chǎng)的孔會(huì)被極化，增加了介電損耗；磁場(chǎng)也會(huì)改變它的方向，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電流，材料通過(guò)產(chǎn)生電流來(lái)進(jìn)行磁損耗從而部分吸收電磁波能量。多孔陶瓷在測(cè)量上的使用n陶瓷傳感器的敏感元件工作原理是當(dāng)微孔陶瓷元件置于氣體或液體介質(zhì)中時(shí),介質(zhì)的某些成分被多孔體吸附或與之反應(yīng),使微孔陶瓷的電位或電流發(fā)生變化,從而檢驗(yàn)出氣體或液體的成分。如何制備多孔陶瓷？ -孫貴康多孔陶瓷制備的

8、關(guān)鍵和難點(diǎn)在于形成多孔結(jié)構(gòu)，制備工藝分為傳統(tǒng)制備工藝和新型制備工藝。添加造孔劑法有機(jī)泡沫浸漬法發(fā)泡法擠出成型法顆粒堆積法溶膠-凝膠法新型工藝?yán)鋬?干燥工藝大致流程：先將水溶性或含有硅膠的陶瓷漿料在低溫凍結(jié), 后經(jīng)脫模、 減壓升華過(guò)程獲得坯體, 之后再通過(guò)燒結(jié)熱處理, 最終得到多孔陶瓷。優(yōu)點(diǎn)：適合制備各類尺寸小、 形狀復(fù)雜的特種陶瓷元件, 獲得的制品具有坯體強(qiáng)度高、尺寸精度高、熱穩(wěn)定性好；該工藝很少使用或不使用有機(jī)造孔劑, 工藝過(guò)程環(huán)境污染相對(duì)較少。新型工藝梯度構(gòu)造工藝注意： 多孔陶瓷的制備 添加造孔劑工藝制備多孔陶瓷的關(guān)鍵在于造孔劑種 和用量的選擇，其次是粒徑的大小。添加造孔劑的目的在于促使多

9、孔材料的氣孔率提高，因此它必須滿足下列條件：在加熱過(guò)程中易于排除；排除后在基體中無(wú)有害殘留物；不于基體反應(yīng)。造孔劑的種類很多，其造孔原理也有所不同。所以造孔劑可分為無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩大類。無(wú)機(jī)造孔劑如易揮發(fā)性無(wú)機(jī)物碳酸氫銨、碳酸銨、氯化銨等,是通過(guò)特定溫度下無(wú)機(jī)物的分解產(chǎn)生大量氣體,在冷卻后保留多孔陶瓷的制備 下來(lái)成為氣孔;一些熔點(diǎn)較高,但可溶于水、酸、堿溶液的無(wú)機(jī)鹽Na2SO4、CaSO4、NaCl等,是待基體燒結(jié)后,用水、酸或堿溶液浸出造孔劑而保留下來(lái)稱為氣孔6;有機(jī)造孔劑如淀粉,碳粉、煤粉等一些天然纖維、高分子聚合物,是在磨具壓制成型的過(guò)程中自身占有一定尺寸的空間,在隨后的燒結(jié)的高溫條件下

10、氧化(燃燒),并形成一定的氣孔。龔森蔚等7采用聚甲基丙烯酸作為造孔劑制備了孔徑可控羥基磷灰石父相陶瓷。最新報(bào)道,采用棉花纖維作為造孔多孔陶瓷的制備 劑,利用漿料浸漬的方法來(lái)獲得氣孔呈單向排列的多孔陶瓷,其開(kāi)口氣孔率達(dá)35%,彎曲強(qiáng)度高達(dá)160MPa8。多孔陶瓷應(yīng)用何處？-陸冠宇催化劑載體陶瓷傳感器生物功能材料環(huán)保節(jié)能材料航天隔熱材料隱身材料過(guò)濾材料新能源材料用多孔陶瓷材料多孔陶瓷n多孔陶瓷作為以氣相為主相的功能陶瓷材料, 因其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、環(huán)保、能源、食品、制藥、生物等各個(gè)領(lǐng)域作為過(guò)濾、分離、布?xì)狻⑽?、隔熱、化工填料?生物陶瓷和催化劑載體等材料。過(guò)濾材料用作高效過(guò)濾材料

11、的多孔陶瓷一般須滿足如下要求: 開(kāi)口氣孔率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、 抗熱震性能好; 用于環(huán)保( 如水處理等)或食品領(lǐng)域( 如釀酒等) 時(shí)還要求具有無(wú)毒、 抗菌等特性。1. 超純水的制備和除菌2. 廢水處理用多孔陶瓷過(guò)濾工業(yè)廢水和生活污水已成為廢水處理和凈化的重要發(fā)展方向, 適用各種污染廢水, 效率高, 成本低。3. 熔融金屬過(guò)濾經(jīng)多孔陶瓷的過(guò)濾能除去熔融金屬中大部分的夾雜物和氣體等雜質(zhì), 提高金屬材料的強(qiáng)度等內(nèi)在質(zhì)量。特別在電子元件、電線用金屬和精密鑄造用金屬方面尤其重要。在過(guò)濾凈化技術(shù)中的應(yīng)用 因?yàn)橐驗(yàn)楹秃偷榷嗫滋沾刹牧暇哂械榷嗫滋沾刹牧暇哂?、的特點(diǎn)，因此，在金的特點(diǎn)，因此，在金屬熔體屬熔體中，泡

12、沫陶瓷作為一種新中，泡沫陶瓷作為一種新型型高效過(guò)濾器高效過(guò)濾器，得到人們的重視。，得到人們的重視。n泡沫陶瓷泡沫陶瓷對(duì)對(duì)鋁鋅合金組織和性能鋁鋅合金組織和性能的影響的影響如下：如下：由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，泡沫陶瓷由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，泡沫陶瓷對(duì)對(duì)沒(méi)有污染作用。沒(méi)有污染作用。催化劑載體在多孔陶瓷基體氣孔壁上涂覆催化劑之后, 可以用作高效催化材料。催化劑載體要求具有比表面積大、吸附 活性高、穩(wěn)定性良好、抗熱震性高和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。n 例如用例如用和和被覆被覆貴金屬或稀貴金屬或稀土金屬土金屬催化劑后，可用于催化劑后，可用于，使，使層氣中的層氣中的CO、CmHn化合物轉(zhuǎn)化為化合物轉(zhuǎn)化為CO2，并，并能使捕獲的炭粒能使

13、捕獲的炭粒在較低的溫度下在較低的溫度下起燃，使起燃，使凈化凈化過(guò)濾器過(guò)濾器催化再生。催化再生。n 當(dāng)多孔陶瓷的當(dāng)多孔陶瓷的時(shí)，時(shí)，利用多孔，利用多孔陶瓷的這一特點(diǎn)，可陶瓷的這一特點(diǎn)，可某一反應(yīng)生某一反應(yīng)生成的氣體產(chǎn)物，而使反應(yīng)速度加快。成的氣體產(chǎn)物，而使反應(yīng)速度加快。敏感元件：陶瓷傳感器利用利用制成的制成的，可快速測(cè)出土壤中的水分變化，其，可快速測(cè)出土壤中的水分變化，其取決于取決于材料的氣孔率及孔徑材料的氣孔率及孔徑。多孔陶瓷片兩側(cè)多孔陶瓷片兩側(cè)后，插入土后，插入土壤中，壤中，將由陶瓷片的將由陶瓷片的電電阻值變化阻值變化而反映出來(lái)。而反映出來(lái)。利用多孔陶瓷利用多孔陶瓷而制成而制成的的已實(shí)際應(yīng)用

14、。已實(shí)際應(yīng)用。多孔陶瓷用作多孔陶瓷用作、等元件，也是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)的課題。等元件，也是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)的課題。 環(huán)保節(jié)能材料多孔陶瓷材料內(nèi)部存在的大量細(xì)微氣孔結(jié)構(gòu)和較低的 體積密度能同時(shí)降低對(duì)流和傳導(dǎo)兩種傳熱方式的傳熱效率,具有低熱導(dǎo)率和較高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn), 是一種性能優(yōu)良的隔熱保溫材料, 在滿足特定功能的同時(shí)還能 減少對(duì)環(huán)境、 資源的消耗。生物功能材料作為生物材料應(yīng)用的多孔陶瓷需要滿足理化性能穩(wěn)定、生物相容性好、無(wú)毒副作用等要求。多孔羥基磷灰石能夠滿足以上要求, 同時(shí)具有較高強(qiáng)度, 是目前制備人造骨骼的一種理想材料。航天隔熱材料美國(guó)航天飛機(jī)外層使用的絕熱瓦( HRSI )就由多孔陶瓷材料構(gòu)成,它由

15、一種低密度、純度為 99.8%的 SiO2 非晶纖維絕熱層制成。絕熱瓦孔隙率高達(dá) 90%, 密度僅為 0.14g/ cm2。隱身材料多孔陶瓷吸波涂料是一種研制較多的吸波材料，它比鐵氧體、復(fù)合金屬粉末等吸波涂料的密度低、性能好，而且還可有效地減弱紅外輻射信號(hào)。新能源材料用多孔陶瓷材料利用多孔陶瓷與液體和氣體接觸面積大,槽電壓比一般材料低的顯著特點(diǎn)制作優(yōu)良的電解隔膜材料。利用多孔陶瓷制備多孔電極。以多孔氣體擴(kuò)散電極為例,它的比表面積不但比平板電極提高35個(gè)數(shù)量級(jí),而且液相傳質(zhì)層的厚度也從平板電極的10- 2cm 壓縮到10-510-6cm ,從而大大提高電極的極限電流密度,減少濃差極化。n多孔陶瓷因其特殊的孔結(jié)構(gòu)和陶瓷本身的特殊性能, 使其成為一種性能優(yōu)異, 作用獨(dú)特的新材料。多孔陶瓷的研究和開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)受到人們普遍的重視, 目前, 許多國(guó)家和地區(qū), 尤其是歐、美、日在這方面投入了巨大的人力物力。我國(guó)也越來(lái)越重視多孔材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。多孔陶瓷在許多領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用, 特別是在能源、環(huán)保、化工等方面的應(yīng)用已初露鋒芒?？梢灶A(yù)見(jiàn), 隨著各應(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)發(fā)展生物技術(shù)及控制