中國(guó)粉體網(wǎng)訊 多孔陶瓷是一種新型陶瓷材料，為三維立體骨骼結(jié)構(gòu)，通過把骨料與增孔劑、粘結(jié)劑相融合，經(jīng)過高溫煅燒煉制而成。因?yàn)樵跓七^程中會(huì)產(chǎn)生很多孔狀結(jié)構(gòu)，所以也被人們稱為微孔陶瓷、泡沫陶瓷。
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多孔陶瓷因具有超強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、較低的熱傳導(dǎo)性和良好的透過性等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、環(huán)境保護(hù)、航空航天等領(lǐng)域。常用于催化劑載體、流體過濾裝置、分離裝置、吸附劑、人工制造器官和耐火材料、傳感器裝置等。
1多孔陶瓷發(fā)展歷程
世界的第一個(gè)多孔陶瓷是美國(guó)于1978年研制成功的，他們利用氧化鋁、高嶺土等陶瓷原料制備出多孔材料，用于鋁合金鑄造過濾，發(fā)現(xiàn)可以顯著提高鋁合金鑄件的質(zhì)量，降低廢品率。此一研究成果在1980年4月的鑄造年會(huì)上進(jìn)行發(fā)表，正式拉開了多孔材料研究的帷幕。此后，英國(guó)、俄國(guó)、德國(guó)、日本、瑞士等各國(guó)家相繼開展了對(duì)多孔材料的研究。
現(xiàn)今，多孔材料的種類繁多，按多孔材料的材質(zhì)可分為八類，如高硅硅酸鹽材料、鋁硅酸鹽材料、精陶質(zhì)材料、硅藻土質(zhì)材料、純碳質(zhì)材料、剛玉和金剛砂材料、堇青石、鈦酸鋁材料等。
2多孔陶瓷的性能
多孔陶瓷材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而具有優(yōu)異的性能：①密度低：由于多孔陶瓷的高孔隙率，其密度遠(yuǎn)低于同材質(zhì)的致密陶瓷，具有輕質(zhì)的特點(diǎn)；②強(qiáng)度高：相對(duì)于多孔高分子材料和多孔金屬材料，多孔陶瓷強(qiáng)度較高；③比表面積高；④熱導(dǎo)率低；⑤高抗熱震性；⑥耐化學(xué)腐蝕性；⑦低介電常數(shù)。
目前，我國(guó)制備的多孔陶瓷的性能仍然需要進(jìn)行優(yōu)化。此外，隨著人們對(duì)產(chǎn)品性能和生產(chǎn)價(jià)格的嚴(yán)格要求，制備高性能且成本低廉的多孔陶瓷就成為研究的熱點(diǎn)。因此了解多孔陶瓷的性能與制備方法是十分有必要的。
3多孔陶瓷制備方法
制備多孔陶瓷的方法不勝枚舉，而制備方法的不同也造成了多孔陶瓷材料結(jié)構(gòu)和性能的千變?nèi)f化。以下主要介紹了幾種常見的多孔陶瓷的制備方法及其特點(diǎn)。
3.1直接發(fā)泡法
發(fā)泡是通過機(jī)械攪拌或添加發(fā)泡劑等方式將氣體引入到懸浮液中，通過攪拌，漿料會(huì)產(chǎn)生細(xì)密且穩(wěn)定的泡沫，然后將成型的漿料置于一旁直至干燥，將干燥完成后的樣品置于所需燒結(jié)爐中燒結(jié)，即可得到所需的多孔陶瓷材料。整個(gè)操作工程的簡(jiǎn)易流程圖如下圖所示。制備多孔陶瓷的關(guān)鍵是制備穩(wěn)定的發(fā)泡漿料以及泡沫漿料的固化。
鋁粉直接發(fā)泡法制備氧化鋁多孔陶瓷過程圖
直接發(fā)泡法具有形狀易控、成分易控、密度易控等特點(diǎn)，且操作工藝簡(jiǎn)單易學(xué)，目前是一種比較經(jīng)濟(jì)的方法。此外，此法易于工業(yè)化生產(chǎn)，開孔或閉孔結(jié)構(gòu)、高氣孔率的多孔陶瓷可利用此種制備方法得到。但是由于泡沫漿料的穩(wěn)定性易受體系組分的影響，仍需要合理調(diào)控達(dá)到最優(yōu)發(fā)泡條件。
3.2添加造孔劑法
添加造孔劑法需要使被添加到陶瓷漿料中的造孔劑占據(jù)漿料的一部分體積，等將其成型干燥后，通過在燒結(jié)過程中揮發(fā)或燃盡，在陶瓷基體內(nèi)留下孔洞，從而得到多孔陶瓷。
通常選用易排除、與基體不反應(yīng)、且無有害殘留的物質(zhì)作為造孔劑，其主要包括高分子材料、聚合物天然纖維等有機(jī)造孔劑。除此之外，聚乙烯醇縮丁醛、碳/煤粉、聚甲基丙烯酸甲脂、甲基纖維素、硬脂酸、尿素等，以及碳酸銨、氯化銨、碳酸氫銨等可分解的鹽類都是常見的造孔劑。
另外，造孔劑的尺寸的不一和加入量的不等都可以來對(duì)多孔陶瓷的孔結(jié)構(gòu)和孔形貌進(jìn)行調(diào)控，且這種調(diào)控有效、簡(jiǎn)便易行、可控性強(qiáng)，這也是添加造孔劑法的最強(qiáng)優(yōu)勢(shì)所在。這種方法可以制備氣孔結(jié)構(gòu)各異的制品，氣孔率水平一般相對(duì)較低，介于25%~75%之間，孔徑介于1~650μm之間。
3.3冷凍干燥法
冷凍干燥法又稱冰模板法，是將仍然有流動(dòng)性的漿料倒入模具，將其在低溫下冷凍直至漿料中的水分凝固成冰，將其置于冷凍干燥箱進(jìn)行干燥，使冰升華為水蒸氣排出去，最終可得到干燥后樣品，脫模即可。
3.4其他方法
除了上述幾種主要工藝外，還可通過其他制備方法制備多孔陶瓷，例如：陶瓷纖維法，利用陶瓷纖維相互架構(gòu)成三維孔洞結(jié)構(gòu)；水熱-熱靜壓工藝，孔徑不一的多孔陶瓷可通過將液態(tài)水作為壓力傳遞的介質(zhì)來制備得到；將陶瓷滲透沉積到多孔骨架得到多孔陶瓷是化學(xué)氣相滲透法的核心步驟。
此外還有許多種造孔的方法之間的結(jié)合，例如直接發(fā)泡工藝與冷凍干燥法相結(jié)合、
凝膠注模和造孔劑法的結(jié)合、墨水直寫法與造孔劑相結(jié)合等。
總而言之，不同的制備方法決定了多孔陶瓷各自不同的特點(diǎn)，在成本、工藝復(fù)雜性、自動(dòng)化程度等方面各有利弊，材料的孔結(jié)構(gòu)(包括氣孔率、孔形貌、孔徑尺寸、孔分布)等也是各有特色。
4小結(jié)
多孔陶瓷的研究與開發(fā)已經(jīng)受到人們的普遍重視，特別是它在能源、環(huán)保、化工方面的應(yīng)用已初露鋒芒，進(jìn)一步的開發(fā)、應(yīng)用和推廣將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。研發(fā)和制備更加受市場(chǎng)青睞的新型高性能多孔陶瓷材料將是科學(xué)研究工作者所追求的目標(biāo)。
參考來源：
【1】范羽宜.多孔氧化鋁陶瓷制備及鋁造孔機(jī)制探討.2020.
【2】李亞杰.氧化鋁多孔陶瓷材料的制備及性能研究.2020.
【3】張文毓.多孔陶瓷材料的制備與應(yīng)用進(jìn)展.特種陶瓷.2017.
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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