多孔陶瓷:多孔性陶瓷材料-中文百科頻道

簡介

特點

1、氣孔率高。多孔陶瓷的重要特征是具有中較多的均勻可控的氣孔。氣孔有開口氣孔和閉口氣孔之分，開口氣孔具有過濾、吸收、吸附、消除回聲等作用，而閉口氣孔則有利于阻隔熱量、聲音以及液體與固體微粒傳遞。

2、強度高。多孔陶瓷材料一般由金屬氧化物、二氧化矽、碳化矽等經過高溫煅燒而成，這些材料本身具有較高的強度，煅燒過程中原料顆粒邊界部分發生融化而粘結，形成了具有較高強度的陶瓷。

3、物理和化學性質穩定。多孔陶瓷材料可以耐酸、堿腐蝕，也能夠承受高溫、高壓，自身潔淨狀态好，不會造成二次污染，是一種綠色環保的功能材料。

4、過濾精度高，再生性能好。用作過濾材料的多孔陶瓷材料具有較窄的孔徑分布範圍和較高的氣孔率與比表面積，被過濾物與陶瓷材料充分接觸，其中的懸浮物、膠體物及微生物等污染物質被阻截在過濾介質表面或内部，過濾效果良好。多孔陶瓷過濾材料經過一段時間的使用後，用氣體或者液體進行反沖洗，即可恢複原有的過濾能力。

材質

1、高矽質矽酸鹽材料，它主要以硬質瓷渣、耐酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷顆粒為骨料，具有耐水性、耐酸性，使用溫度達700℃。

2、鋁矽酸鹽材料，它以耐火粘土熟料、燒礬土、矽線石和合成莫來石顆粒為骨料。具有耐酸性和耐弱堿性，使用溫度達1 000℃。

3、精陶質材料，它以多種粘土熟料顆粒與粘土等混合燒結，得到微孔陶瓷材料。

4、矽藻土質材料，它主要以精選矽藻土為原料，加粘土燒結而成。用于精濾水和酸性介質。

5、純炭質材料，它以低灰分煤或石油瀝青焦顆粒為原料，或加入部分石墨，用稀焦油粘結燒制而成，用于耐水、冷熱強酸、冷熱強堿介質以及空氣的消毒和過濾等。

6、剛玉和金剛砂材料，它以不同型号的電熔剛玉和碳化矽顆粒為骨料，具有耐強酸、耐高溫的特性

7、堇青石、钛酸鋁材料，其特點是熱膨脹系數小，因而廣泛用于熱沖擊環境。

添加劑

助熔劑

陶瓷助熔劑的主要作用是降低燒成溫度，增加液相，擴大燒成範圍，提高坯體的力學強度和化學穩定性。常用的助熔劑有長石、珍珠岩、滑石、蛇紋石、矽灰石、石灰石、白雲石等。

增塑劑

陶瓷增塑劑主要作用是提高陶瓷坯體的整體塑性，保證坯體具有一定的強度，使坯體在燒成前保持原有形狀。常用的增塑劑有粘性土、木節土、球土等。

粘結劑

粘結劑是指為了提高坯體的強度或防止粉末偏析而添加到陶瓷坯料中的具有粘結作用的添加劑。粘結劑一般選擇易于在燒結前或燒結過程除掉的物質，如澱粉、石蠟、羧甲基纖維素、聚乙烯醇等。水玻璃具有較好的粘性，水分揮發後留下的矽酸鈉可以作為陶瓷的成分，所以也常被用作粘結劑。

緻孔劑

加入緻孔劑是為了提高陶瓷的氣孔率、擴大比表面積。緻孔劑主要有天然有機細粉、煤粉、石灰石、白雲石、燒沸石、珍珠岩、浮石等。一般來講，增加緻孔劑的用量可以提高陶瓷的氣孔率，但是會引起陶瓷強度下降，因此必須控制緻孔劑的添加比例。以石灰石和白雲石作緻孔劑時，在煅燒過程分解生成的CaO和MgO具有助熔作用，如果在煅燒溫度過高、時間過長，會與原料中的部分物質形成玻璃相，填充部分已形成的氣孔，降低陶瓷的氣孔率

流變劑

漿料的流動性能保證漿料在浸漬過程中能滲透到有機泡沫中，并均勻地塗敷在泡沫網絡的孔壁上。漿料的觸變性即要求漿料具有在靜止時處于凝固狀态，但在外力作用下又恢複流動性的特性。良好的觸變性可以保證在浸漬漿料和擠出多餘漿料時，在剪切作用下降低粘度，提高漿料的流動性，有助于成型，而在成型結束時，漿料的粘度升高，流動性降低。這就使得附着在孔壁上的漿料容易固化而定型，避免了因為漿料的流動造成坯體嚴重堵孔而影響制品的均勻性。

分散劑

為了提高漿料的固含量，無論是水基體系還是非水基體系均需加入分散劑。分散劑可以提高漿料的穩定性，阻止顆粒再團聚，進而提高漿料的固含量。

表面活性劑

為了防止漿料在浸漬和擠出多餘漿料的過程中起泡而影響制品的性能，需加入消泡劑，一般采用低分子量的醇和矽酮。陶瓷漿料為水基漿料時，如果有機泡沫與漿料之間的潤濕性差，在浸漬漿料時就會出現泡沫結構的交叉部分附着較厚的漿料，而在結構的橋部和棱線部分附着很薄的漿料的現象。這種情況嚴重時會導緻燒結過程中坯體開裂，使多孔陶瓷的強度明顯降低。因此，通常采用添加表面活性劑的方法以改善陶瓷漿料與有機泡沫體之間的附着性來解決此問題。

制備方法

發泡工藝

發泡工藝是陶瓷組分添加有機或無機化學物質,通過化學反應等産生揮發氣體,經幹燥和燒成制成多孔陶瓷。發泡工藝與泡沫浸漬工藝相比,更容易控制制品的形狀、成分和密度,并可制備各種氣孔形狀和大小的多孔陶瓷,特别适用于制備閉氣孔的陶瓷材料。用來做發泡劑的化學物質有很多種類,例如,用碳化鈣、氫氧化鈣、鋁粉硫酸鋁和雙氧水作發泡劑;由親水性聚氨脂塑料和陶瓷泥漿同時發泡制備多孔陶瓷;用硫化物和硫酸鹽混合作發泡劑等。

添加成孔劑工藝

此工藝是通過在陶瓷配料中添加造孔劑,利用造孔劑在坯體中占據一定的空間,然後經過燒結,造孔劑離開而形成氣孔來制備多孔陶瓷。添加造孔劑制備多孔陶瓷的工藝流程與普通的陶瓷工藝流程相似。造孔劑的種類有無機和有機兩類,無機造孔劑有碳酸铵、碳酸氫铵、氯化铵等高溫可分解的鹽類,以及煤粉、碳粉等。有機造孔劑主要是天然纖維、高分子聚合物和有機酸等。造孔劑顆粒的形狀和大小決定了多孔陶瓷材料氣孔的形狀和大小。多孔陶瓷材料的成型方法與普通陶瓷的成型方法類似,主要有模壓、擠壓、等靜壓、紮制、注射和粉漿澆注等。

有機泡沫浸漬工藝

有機泡沫浸漬法是用有機泡沫浸漬陶瓷漿料，幹燥後燒掉有機泡沫，獲得多孔陶瓷的一種方發泡工藝法。該法适于制備高氣孔率、開口氣孔的多孔陶瓷。這種方法制備的泡沫陶瓷是目前最主要的多孔陶瓷之一。

溶膠凝膠工藝

溶膠-凝膠工藝主要利用凝膠化過程中膠體粒子的堆積以及凝膠處理、熱處理等過程中留下小氣孔,形成可控多孔結構。這種方法大多數産生納米級氣孔,多用來生産微孔陶瓷。溶膠－凝膠工藝是一種新的制備多孔陶瓷的工藝,與其它工藝相比有其獨特之處。例如,用溶膠－凝膠法制備氧化鋁多孔陶瓷,與顆粒混合、泡沫浸漬、噴霧幹燥顆粒等方法相比較,溶膠－凝膠法可進一步改善氧化鋁多孔陶瓷孔徑分布的控制、相變、純度及顯微結構。

固相燒結工藝

固相燒結工藝利用微細顆粒易于燒結的特點，在骨料中加入相同組分的微細顆粒，在一定的溫度下微細顆粒通過蒸發和遷移，在大顆粒連接部燒結，從而将大顆粒連接起來。由于每一粒骨料僅在幾個點上與其他顆粒發生連接，因而在燒結體中形成大量的三維貫通孔道。

凝膠注模工藝

凝膠注模工藝源于20世紀90年代，美國橡樹嶺國家實驗室最早将傳統陶瓷成型技術與高分子化學反應結合在一起，研制出這種新型陶瓷制備工藝。凝膠注模工藝過程是一個原位成型過程，主要利用有機單體或少量添加劑的化學反應原位凝固成型，獲得具有良好微觀均勻性和一定強度的坯體，而後燒結制得成品。

冷凍幹燥工藝

在該工藝中，讓冰将柱狀的凝膠包圍和隔離着，并且控制溶液中冰的生長方向為單向生長，冰溶化後纖維就形成了。在另外一種制備孔陶瓷的凍幹工藝中，溶劑是直接由固态到氣态升華而排除的。通過控制金屬鹽溶液的冷凍方向獲得了方向性好、氣孔率很高(>90%)的多孔陶瓷。

高溫合成工藝

燃燒合成，又稱自蔓延高溫合成用燃燒合成技術制備多孔材料的主要過程是放熱反應，化學反應釋放出來的熱量維持反應的自我進行，合成新物質的同時獲得了所期望的多孔材料，包括具有一定形狀的多孔材料。燃燒合成過程總是伴随着燒結現象，燒結體的孔隙度很高，可以達到50%左右，甚至更高。SHS與常規方法相比主要有以下特點和優勢:合成反應過程迅速，能大量節省能源，産品純度高，工藝相對簡單，适合于制備各類無機材料。SHS存在的主要不足之處是反應快迅速，試樣的燒結尺寸難以控制。

熱靜壓工藝

該工藝通過水作為壓力傳遞介質制備各種孔徑多孔陶瓷。其簡單制備步驟為：矽凝膠和10%(質量百分數)的水混合，置于高壓釜中(壓力10—15MPa，溫度300℃)，通過水蒸汽的揮發而制成多孔陶瓷。水熱－熱靜壓工藝中，反應時間一般為10—180min。在25MPa下處理60min，制得的多孔陶瓷材料體積密度為0.88g/cm，孔體積為0.59cm/g，孔尺寸分布範圍為30~50nm，抗壓強度高達80MPa。多孔陶瓷水熱－熱靜壓工藝具有以下優點：制得的多孔陶瓷材料抗壓強度高、性能穩定、孔徑分布範圍廣。

組織遺傳制備工藝

該工藝是利用植物材質(木材、竹子等)的天然多孔組織，将其在800~1000℃下和惰性氣體環境中熱解碳化得到與木材多孔結構幾乎完全相同的碳預制體。然後以碳預制體為模闆，1600℃時液态矽蒸發形成的矽蒸汽滲入模闆與碳化合形成多孔碳化矽陶瓷。該工藝過程簡單，成本低廉，但制品的孔結構主要決定于材質本身的組織，可設計性較差，同時SiC的轉化率相對較低。也可将木材在真空中浸漬滲入樹脂，之後在1200℃左右熱解，冷卻後得到一定孔隙率的木材陶瓷。

應用

載體

多孔陶瓷具有良好的吸附能力和活性。被覆催化劑後，反應流體通過泡沫陶瓷孔道，将大大提高轉化效率和反應速率。由于多孔陶瓷具有比表面積高、熱穩定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特點，作為汽車尾氣催化淨化器載體已被廣泛使用除了作催化劑載體外，它還可以作為其它功能性載體，例如藥劑載體、微晶載體、氣體儲存等。

過濾和分離

1．超純水的制備和除菌

用矽藻土或粘土熟料質制成的多孔陶瓷濾芯，已用于飲水、石油油井注水用水等的除菌和淨化，還用于注射液的消毒過濾，以及電子工業、醫藥工業、光學透鏡研磨用的超純水的淨化等。

2．廢水處理

用多孔陶瓷過濾工業廢水和生活污水已成為廢水處理和淨化的重要發展方向，适用各種污染廢水，效率高，成本低。

3．腐蝕性流體過濾

多孔陶瓷的強耐腐蝕性使其在過濾酸性、堿性等腐蝕性液體或氣體時顯示出特有的優勢。

4．熔融金屬過濾

經多孔陶瓷的過濾能除去熔融金屬中大部分的夾雜物和氣體等雜質，提高金屬材料的強度等内在質量。特别在電子元件、電線用金屬和精密鑄造用金屬方面尤其重要。

5．高溫氣體過濾

高溫煙氣的除塵、高溫煤氣的淨化等高溫氣體的過濾都必須使用耐高溫的多孔陶瓷。

6.醫藥工業食品工業過濾

多孔陶瓷由于具有耐高溫、耐腐蝕和良好的生物、化學相容性，因而可用于醫藥工業中的疫苗、酶、病毒、核酸、蛋白質等生理活性物質的濃縮、分離、精制等。在食品、飲料工業中，特别适用于色、香、味強的飲料及低度酒類的過濾，并可望在啤酒(尤其是生啤)的生産中發揮不可替代的作用。

7．放射性物質的過濾

核電廠等産生大量放射性廢物，經過燃燒能成為化學穩定的固體粉末，多孔陶瓷能将其固化，保管起來方便又經濟。

吸音材料

多孔陶瓷具有連通開氣孔，當聲波傳入時，在很小的氣孔内受力振蕩。振動受到的摩擦和阻礙，使聲波傳播受到抑制，導緻聲音衰減，從而起到吸音的作用。是一種消除噪聲公害，益于人們身心健康的好材料。作為吸音材料的多孔陶瓷要求較小的孔徑(20～150/um)，相當高的氣孔率(>60%)及較高的機械強度。陶瓷所具有的優良的耐火性和耐候性，使它可用于變壓器、道路、橋梁等的隔音。現在已在高層建築、隧道、地鐵等防火要求極高的場合及電視發射中心、影劇院等有較高隔音要求的場合使用，效果很好。

隐身材料

多孔陶瓷吸波塗料是一種研制較多的吸波材料，它比鐵氧體、複合金屬粉末等吸波塗料的密度低、吸波性能好，而且還可以有效地減弱紅外輻射信号。另外，多孔陶瓷具有良好的力學性能、熱物理性能和化學穩定性，能滿足隐身的要求。著名的F-117隐身飛機的尾噴管就使用了多孔陶瓷基吸波材料達到飛機隐身的目的。

隔熱保溫材料

由于多孔陶瓷具有巨大的氣孔率和低的基體熱傳導系數,其最傳統的應用是作為隔熱材料。傳統的窯爐、高溫電爐其内襯多為多孔陶瓷。為增加其隔熱性能還可将内部氣體抽真空。目前世界上最好的隔熱材料正是這種多孔陶瓷材料。高級的多孔陶瓷隔熱材料還可用于航天飛機的外殼隔熱。除此以外,由于其多孔性還可以作為換熱材料用,且換熱充分。

多孔介質燃燒器

多孔介質燃燒器有功率大、範圍可調、高功率密度、極低的C0和N0x排放量、安全穩定燃燒等優點。而且很重要的一點是，多孔介質燃燒器的結構緊湊，尺寸大大減小，制造成本低，系統效率較高，消除了額外能耗。

生物工程材料

在傳統生物陶瓷基礎上研究開發的多孔生物陶瓷，由于生物相容性好，理化性能穩定，無毒副作用的特點而被用于制作生物材料。當用于修補骨缺損部位時，新生物将逐漸進入多孔陶瓷珊瑚狀孔隙内，慢慢将多孔陶瓷吸收，最終，這種多孔陶瓷将由新生骨制質取代。與傳統生物陶瓷相比，生物體内不會殘留任何異物，因而不易感染。國外利用多孔生物陶瓷修複頭蓋骨、大腿骨、脊椎骨、人造齒根等臨床實驗均已獲成功。

散氣材料

多孔陶瓷還可用于氣－液、氣－粉兩相混合，即通常所說的布氣、散氣。通過多孔陶瓷的散氣作用，使兩相接觸面積增大而加速反應。目前活性污泥法處理城市污水中使用的多孔陶瓷布氣裝置就比較成功，不僅布氣效果好，而且使用壽命長。利用多孔陶瓷材料将氣體吹入粉料中，使粉料處于疏松和流化狀态，有利于混勻、傳熱和均勻受熱，能加速反應，防止團聚，便于粉料的輸送、加熱、幹燥和冷卻等，特别在水泥、石灰、和氧化鋁粉等粉料生産及輸送中有着良好的應用前景。