泡沫陶瓷材料制备方法及应用的研究进展

维普资讯 http://www.cqvip.com ・　５Ｏ　・　陶瓷　２００７．Ｎｏ．７　泡沫陶瓷材料制备方法及应用的研究进展　董毅峰　＇　王雪瑶　（１武汉理工大学机电工程学院　武汉李志宏　刘　石　刘长春　４３００７０）　（２河南工业大学　郑州４５０００７）　（３中国科学院工程热物理研究所　北京　１０００８０）　（４中国科学院研究生院　北京　１０００４９）　（５华北电力大学摘要北京　１０２２０６）　分析了泡沫陶瓷广泛的应用前景，总结了泡沫陶瓷的分类方法和特点，详细介绍了其生产制备的工艺方法和典　型应用，最后提出了我国泡沫陶瓷工业的发展需要注意的问题。　关键词　泡沫陶瓷制备方法　分类应用　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｐｏｒｏｕｓ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｄｏｎｇ　Ｙｉｆｅｎｇ　，Ｗａｎｇ　Ｘｕｅｙａｏ３一，Ｌｉ　Ｚｈｉｈｏｎｇ３，Ｕｕ　Ｓ　，Ｕｕ　Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　。　（１　Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ，４３００７０）（２　Ｈｅｎａｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，４５０００７）（３　Ｉｎｓｔｉｔｕｄｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ，ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００８０）（４　Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉ—　ｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００４９）（５　Ｎｏａｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２２０６）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎＭｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｂｒｏａｄ　ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ　ｆｏｒ　ｕｓｉｎｇ，ｇｉｖｅｓ　ａ　ｓｕｍｍａ￣ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｌａｓｓｉｆｙ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｎｕ—　ｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｕｒｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｒｏｕｓ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｏｒｏｕｓ　ｃｅｒａｍｉｃｓ；Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒＯＣｕｒｅ；Ｃｌａｓｓｉｆｙ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　瓷起步较晚，与国外技术发展相比尚有一定差距。　前言　１　泡沫陶瓷的分类和特点　泡沫陶瓷是一种三维的立体网络骨架结构的陶瓷　制品。它分布均匀且存在相互贯通的微孑Ｌ，因而具有　１．１泡沫陶瓷的分类　泡沫陶瓷有多种分类方法。按孔隙之间关系分类　密度小、气孔率较高、比表面积大、低热传导率、耐高　温、耐腐蚀等优点。此外，泡沫陶瓷制造工艺简单，通　过选择不同的材质和控制加工工艺的过程，可以制成　适合于不同用途的泡沫陶瓷产品。近年来，泡沫陶瓷　被广泛应用于隔热隔音材料、工业污水处理、汽车尾气　处理、电工电子领域、医用材料领域以及生物化学领　域　。＿引。　可分为：闭口气孑Ｌ和开口气孑Ｌ　２种。闭口气孑Ｌ是指陶　瓷材料内部微孑Ｌ分布在连续的陶瓷基体中，孑Ｌ与孑Ｌ之　间相互隔离；开口气孑Ｌ包括材料内部孑Ｌ与孑Ｌ之间相互　连通和一边开口、另一边闭口形成不连通气孑Ｌ　２种。　泡沫陶瓷按材质又可分为以下几种：　１）铝硅酸盐材料。以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线　２０世纪７０年代美国最早利用氧化铝、高岭土研　制成功泡沫陶瓷　，泡沫陶瓷优良的应用价值引起了　科技界的重视，各国都开始了相关的研究工作。我国　在２０世纪８０年代初才开展泡沫陶瓷研究工作，如今　部分产品已经标准化、系列化。但由于我国的泡沫陶　石和合成莫来石质颗粒为骨料，具有耐酸性和耐弱酸　性，使用温度达１　０００　ｏＣ。　２）高硅质硅酸盐材料。主要以硬质瓷渣、耐酸陶　瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料，具有耐水性　和耐酸性，使用温度达７００　ｏＣ。　基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３　ｉｔ‘划）（２００５ＣＢ４２２１０５）　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７．Ｎｏ．７　陶瓷　３）静陶质材料。组成接近高硅质硅酸盐材料，主　要以多种粘土熟料颗粒与粘土等混合而得到微孔陶瓷　材料。　４）硅藻土质材料。主要以精选硅藻土为原料，加　粘土烧结而成，用于精滤水和酸性介质中。　５）刚玉和金刚砂材料。以不同型号的电熔刚玉和　碳化硅颗粒为骨料，具有耐强酸、耐高温特性，耐高温　可达１　６００℃。　１．２泡沫陶瓷的特点　泡沫陶瓷作为一种新兴的陶瓷材料有很多优良的　特点¨　。　１）耐腐蚀性强。通过材质的选择和工艺控制，可　制成适用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷。　２）良好的机械强度和刚度。在较大的应力负载　下，孔的形状不会发生变化。　３）很强的耐高温性。热膨胀系数低，可以过滤熔　融的金属熔液或高温燃气。　２　泡沫陶瓷的制备工艺　２．１发泡法　发泡法可以制备形状复杂的泡沫陶瓷，以满足一　些特殊场合的应用。主要原理是在陶瓷粉料中加人适　当的发泡剂通过化学反应产生挥发性气体从而产生泡　沫，然后再经干燥和烧成制得。目前常用碳化钙、氢氧　化钙、铝粉硫酸铝和双氧水作发泡剂，在制备过程中加　入部分陶瓷纤维可以增加坯体在烧结过程中的强度，　避免粉化和塌陷。　２．２添加造孔剂法　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，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　。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。与普通的陶瓷工艺流程相比，添加造孑Ｌ剂法　制备泡沫陶瓷的工艺流程的关键在于造孔剂种类和用　量的选择。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。其成形方法主要有模压、挤　压、等静压、注射和粉料浇注等。造孔剂在加热过程中　要易于排除。　造孔剂的种类和用量的选择是该方法的关键。造　孔剂分为有机造孔剂和无机造孔剂２种。碳酸铵、碳　酸钙、氯化铵等高温可分解盐类以及各类碳粉，属于无　机造孔剂；天然纤维、高分子聚合物和有机酸等属于有　机造孔剂。　２．３注模法　‘　注模法是目前较流行的制备泡沫陶瓷方法之一，　文献［６］介绍了用凝胶注模成形法制备多孔固化ＡＩ　０，　的方法。制备思路是将有机单体溶液与陶瓷粉体、引　发剂和催化剂球磨混合成均匀浆料，然后浸渍聚合物　泡沫使之在泡沫网络骨架表面形成涂层，最后有机单　体在引发剂和催化剂作用下产生原位聚合反应，使浆　料凝固。该方法能够制备机械强度高、结构致密的泡　沫陶瓷。　通过凝胶注模成形法制备的陶瓷微观结构均匀、　致密，具有完整的可靠性。其工艺简单，适合大批量生　产，同时该方法可以实现复杂形状成形，可用来制备形　状复杂，具有特殊要求的陶瓷材料；此外具有灵活的可　调性，可以根据材料性能的要求自由控制凝固时间。　注模法的关键技术是如何控制料浆内部及添加剂的原　位化学反应，使陶瓷料浆原位凝固形成坯体。　２．４　自蔓延高温合成法　１９６７年，前苏联科学家Ｍａｚｈａｎｏｖ　Ａ　Ｇ提出了自蔓　延高温合成法（ｓｅｌｆ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ＳＨＳ）。该方法高效、节能。可以制备优良性能　的陶瓷材料，其产品具有较高的孔隙率，因而常用该方　法制备具有联系网格结构的陶瓷材料。其基本思路　是：当温度高于必要的点火温度时，诱发体系产生局部　的化学反应。该反应是放热反应，在持续放热下，燃烧　将涉及到整个体系。ＳＨＳ的本质是一种高放热无机化　学反应，近年来ＳＨＳ技术受到了广泛的关注。　２．５有机泡沫浸渍法　该方法是目前工业上最常用的方法之一。基本思　路是：首先将有机泡沫浸渍到陶瓷料浆中，然后经过干　燥、燃烧使有机泡沫脱离母体就可以获得泡沫陶瓷。　多孔素坯的干燥方法可以采用阴干、烘干或微波干燥，　水分要控制在１％以下。　干燥后的燃烧阶段分２个步聚：低温阶段和高温　阶段。在低温阶段，为防止有机物剧烈氧化而在短时　间内产生大量气体，造成坯体开裂和粉化，我们要控制　升温速率不宜过快。在高温阶段，要根据需要控制烧　维普资讯 http://www.cqvip.com ・　５２　・　陶瓷　２００７．Ｎｏ．７　应用泡沫陶瓷材料还可以制造多孔介质燃烧　器　１。具有良好热交换性的泡沫陶瓷材料可以降低火　焰温度，在惰性泡沫陶瓷表面内或在接近多孔陶瓷表　结温度，烧结温度太低制品强度不够；反之，烧结温度　过高会使泥浆发生瓷化，使制品的耐热冲击性能和表　面活性降低，吸附杂质的能力降低。　除此之外，还有水热一热静压工艺、微波加热工　面处进行预混合燃烧可以节省能量，并能显著降低　ｃｏ’和Ｎｏ，的排放。同时，该种燃烧器可以使用多种　艺、分相滤出法、固一气共晶法等制备泡沫陶瓷的工艺　方法，在实际应用中要根据需要选择合适的制备方法。　３　泡沫陶瓷的应用　自２０世纪７０年代美国首先研制出泡沫陶瓷后，　泡沫陶瓷因其良好的性能得到了人们极大的重视。最　初泡沫陶瓷主要应用于高温熔融合金过滤，随着泡沫　陶瓷制备技术的不断发展，如今泡沫陶瓷的应用范围　得到了很大的扩展。由过滤、环境、绝缘材料、热工等　领域扩展到隔热、吸音、电子、光电、传感、生物、化学汽　车工业领域。例如，泡沫陶瓷可被用作陶瓷传感器的　湿敏和气敏元件、高速电子系统的衬底材料、燃料电池　的多孔电极、电池的分离介质和电极等。以下笔者着　重介绍泡沫陶瓷的几个重要应用。　３．１用于环境污染的防治　当今世界环境污染的问题越来越严重，有害物的　排放越来越多，处理不当就会影响到人类的生存环境，　因此，污染物减排已成为当今时代的主题　。除臭泡　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；泡沫陶瓷在汽车工业的减排　问题上得到了成功的应用。此外，采用耐高温、强度高　的抗热震性的高渗透性泡沫陶瓷可有效地除去高温含　尘气体中的物质。现在泡沫陶瓷已经广泛应用于汽车　尾气、工业废水废气、生活废水的处理问题上。　３．２选煤厂浮选精煤脱水　选煤厂的精滤工序通常使用滤盘外包上有机材料　滤布的真空过滤机，近年来加压真空过滤机也得到了　广泛应用。但此种方法得到的煤泥饼水分较高，可达　２５％一３０％。如果使用孔径为０．９—３．５　ｔｔｍ，孔隙率　３８％的氧化锆泡沫陶瓷制成的微孔滤板来代替有机滤　板，可以有效地降低煤泥饼中的含水量及提高脱水效　率，同时还可以大大降低加压风的消耗，减少维修费用　和成本，有较高的经济效益　。　３．３燃烧器　燃料，具有广泛的适应性。　４　结论　泡沫陶瓷作为一种新兴的陶瓷种类，以其较低的　制造成本、操作简单的制备工艺、良好的机械性能受到　了广泛的关注和应用，国际上很多国家都加入到泡沫　陶瓷的研制中。我国与国外泡沫陶瓷产品相比还存在　着一定的差距，有不少问题需要进一步解决，如研究陶　瓷的材质，更好的提高泡沫陶瓷的性能。使之既符合　耐急冷急热的性能要求，而又具有较高的使用温度，使　它不但能用于低温熔化的铝合金过滤，也可以用于钢　铁等高温熔融金属的过滤；提高泡沫陶瓷的强度，防止　产生陶瓷粒掉渣现象发生；改进制造工艺，使泡沫陶瓷　的制备完成大型化、一体化，最大幅度的降低成本增强　市场竞争力。　参考文献　ｌ李小龙．多孔陶瓷材料．中国陶瓷，２０００，３６（４）：３６　３９　２张守梅，曾令可，等．环保吸声材料的发展及展望，陶瓷　学报，２００２，２３（１）：５６～６ｏ　３　Ｚｈｕ　Ｘｉｎｗｅｎ，Ｊｉａｎｇ　Ｄｏｎｇｌｉａｎｇ，Ｔａｎ　Ｓｈｏｕｈｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｉｍｐｒｏｖｅ—　ｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｒｅｔｉｃｕｌａｔｅｄ　ｐｏｒｏｕｓ　ｃｅｒａｍｉｃｓ．Ｊ　Ａｍ　Ｃｅｒａｍ　Ｓｏｃ，２００１，８４（７）：ｌ　６５４～ｌ　６５６　４刘辉，孙伟，等．多孔陶瓷材料的应用及发展前景．矿业　工程，２０ｏ３，２６（６）：６８～７ｌ　５陈哲，单外娥．泡沫陶瓷的研究现状及展望．十堰职业　技术学院学报，２００３，１６（２）：５３～５５　６戴春雷，杨金龙，黄勇．凝胶注模成形延迟固化研究．无　机材料学报，２００５，ｚ０（１）：８３～８９　７吴庆祝，刘永先，李福功，等．泡沫陶瓷及其应用．全国　性建材科技期刊——陶瓷，２００２（２）：１２～１５　８杨俊利，邢玉梅．我国细粒煤脱水技术与设备研究现　状．过滤与分离，１９９９（２）：３７—４０