多孔陶瓷材料的制备及应用研究进展.doc

本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：多孔陶瓷材料的制备与应用研究进展多孔陶瓷制备与应用 共份资料分享中?第卷第期?硅?酸?盐?通?报?多孔陶瓷材料的制备与应用研究进展王圣威,金宗哲,黄丽容(.北京交通大学机电学院材料所,北京.中国建筑材料科学研究院,北京)摘要:多孔陶瓷是一种新型功能材料,由于其具有很好的化学稳定性、较低的热传导等优良特性,而被广泛应用于众多领域。本文综述了多孔陶瓷的类型、制备工艺、应用领域与研究进展,讨论了各种制备方法的优缺点,并展望了多孔陶瓷的发展前景以与今后的发展方向。关键词:多孔陶瓷;气孔率;制备工艺;性能;应用?多孔陶瓷是一种新型陶瓷材料,是由骨料、粘结剂和增孔剂等组分经过高温烧成的,具有一定尺寸和数量的孔隙结构的陶瓷体。多孔陶瓷的种类繁多,根据其孔径的大小一般可分为类:微孔陶瓷(孔径)、介孔陶瓷();根据成孔方法和孔隙结构其大致又可分为多孔陶瓷、蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、波纹陶瓷以与孔梯度陶瓷和多孔功能陶瓷等种类。?多孔陶瓷材料的制备工艺多孔材料首要特征是其多孔特性,制备的关键和难点是形成多孔结构。根据使用目的和对材料性能的要求不同,人们在传统工艺基础上已经发展了多种多孔陶瓷的制备工艺,如颗粒堆积成型工艺、发泡工艺、添加造孔剂工艺、有机泡沫体浸渍工艺、溶胶?凝胶法等。?挤压成型工艺本工艺的特点是靠设计好的多孔金属模具来成孔。将制备好的泥浆通过一种具有蜂窝网格结构的模具基础成型,经过烧结就可以得到最典型的多孔陶瓷即现用于汽车尾气净化的蜂窝状陶瓷。此外,也可以在多孔金属模具中利用泥浆浇注工艺获得多孔陶瓷。该类工艺的特点在于可以根据需要对孔形状和孔大小进行精确设计,对于蜂窝陶瓷最常见的网格形状为三角形、正方形。其缺点是不能形成复杂的孔道结构和孔尺寸较小的材料。作者简介:王圣威(?),男,硕士研究生.主要从事无机功能材料的研究.?颗粒堆积工艺在骨料中加入相同组分的微细颗粒,利用微细颗粒易于烧结的特点,在高温状况下产生液相,使骨料(大颗粒)连接起来。孔径的大小与骨料粒径成正比,骨料粒径越大,形成的多孔陶瓷平均孔径就越大,呈线性关系。骨料颗粒尺寸越均匀,产生的气孔分布也越均匀。另外添加剂的含量和种类以与烧成温度对微孔体的分布和孔径大小有直接的影响。徐振平等通过控制球状二次粒子原料的粒径,采用烧结法制备了孔径分布很窄的多孔陶瓷,提出了一种控制孔径分布的有效办法。孙宏伟等则通过控制粉料粒径、添加剂种类和含量,用固态烧结法制得了平均孔径为、孔径分布狭窄、孔隙率为的陶瓷膜管。?发泡工艺发泡工艺是向陶瓷组分中添加有机或无机化学物质即发泡剂,在处理期间形成挥发性气体,产生泡沫,经干燥和烧成制得多孔陶瓷(包括网眼型和泡沫型两种)。等用碳化钙、氢氧化钙、硫酸铝和双氧水作发泡剂,于年发明了发泡工艺。发泡工艺与传统陶瓷工艺相比,多了一个干燥前发泡过程;与泡沫塑料浸渍泥浆高温处理法相比,发泡法可以更容易地制得一定形状、组成和密度的多孔陶瓷,而且还可以制备出小孔径的闭口气孔,而这是用泡沫塑料浸渍泥浆高温处理法做不到的,但其缺点在于难以控制的工艺条件和要求较高的原料。吴皆正等用十二烷基磺酸钠和碳酸钙为发泡剂,以石英砂为原料,制备了显气孔率在,平均孔径,具有狭窄的孔径分布()和一定强度的可控微米级多孔陶瓷。?添加造孔剂工艺该工艺通过在陶瓷坯料中添加造孔剂,利用造孔剂在坯体中占据一定的空间,然后经过排塑、烧结,造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷。添加造孔剂的目的在于促使气孔率增加,它必须满足下列要求:在加热过程中易于排除;排除后在基体中无有害残留物;不与基体反应。通常使用的易挥发性物质如炭粉、锯末屑、萘、淀粉、聚乙烯醇()、聚甲基丙烯酸甲酯()、聚乙烯醇缩丁醛()、聚苯乙烯颗粒等。一些熔点较高,但可溶于水、酸或碱溶液的各种无机盐或其它化合物如、等也可作为造孔剂。该类造孔剂的特点是在基体陶瓷烧结温度下不排除,待基体烧结后,用水、酸或碱溶液浸出造孔剂而成为多孔陶瓷。这类造孔剂特别适用于玻璃质较多的多孔陶瓷或多孔玻璃的制备。最近有报道,采用棉花纤维为造孔剂,利用浆料浸渍的方法来获得气孔呈单向排列的多孔陶瓷,其开口气孔率,弯曲强度高达。造孔剂的添加量可直接影响多孔陶瓷的制备。认为随着造孔剂的量增加,多孔陶瓷的气孔率和孔径大小逐渐增大,同时孔径分布变宽有机泡沫浸渍工艺有机泡沫浸渍工艺是等在年发明的,其独特之处在于它凭借了有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构,将制备好的浆料均匀地涂覆在有机泡沫网状体上,干燥后烧掉有机泡沫体而获得一种网眼多孔陶瓷。该工艺的成孔原理如图所示。该工艺制备的多孔陶瓷具有高气孔率()和开孔三维网状骨架结构。这种特殊结构,使其在流体过滤尤其是熔融金属过滤方面表现出极大的优越性。该工艺自问世以来,其研究热点主要集中在高温强度的提高和过。?通过多孔模板复制形成气孔的制备工艺图?有机泡沫浸渍工艺成孔原理示意图?滤能力的改善。等使用小于的硅酸铝纤维增强锂?铝?硅氧化物网眼多孔陶瓷,其纤维利用低分子量聚丙烯酸在高速搅拌下分散。李安明等系统地讨论了泡沫陶瓷的制备方法,并指出了目前泡?有机先驱体浸渍法先驱体法原理是利用可燃尽的多孔载体,涂覆陶瓷浆料,干燥后在高温下燃尽载体材料而形成孔隙结构。载体一般选用弹性高、气孔均匀、气孔率较高、亲水易挥发并具有三维网架结构的泡沫塑料,如聚醚型聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。范小林等用聚碳硅烷作为主要先驱体,在氮气的保护气氛下?下热处理,在热解过程中产生大量小分子气体,于是在结构中形成气泡,并进一步形成多孔结构。最后在较高的温度下对多孔体进行热解、烧结后得到多孔陶瓷。?化学气相渗透()和化学气相沉积()所用的模板一般是编织好的碳纤维骨架,或者热解过的有机泡沫形成网眼多孔碳骨架。通过或者工艺将陶瓷渗透沉积到多孔骨架上,涂层的厚度为。通过控制沉积的速度和时间来控制制品最终的结构和性能。可以沉积的材料有、等。工艺的优点是孔结构非常容易控制,制、品强度高,微观结构均匀;但是生产周期长,成本高,沉积用的化学原料污染环境。?仿生结构制备将具有多孔结构的天然木材在惰性气氛、?下裂解,得到与木材多孔结构几乎完全相同的多孔碳,木材的多孔结构如图所示。然后图?木材的分层多孔结构以得到的多孔碳为模板,在高温下渗硅或者化学气相渗透,可以得到多孔碳化硅陶瓷。?溶胶?凝胶工艺溶胶?凝胶法主要用来制备微孔陶瓷材料,特别是微孔陶瓷膜。这种方法是利用溶胶在凝胶化的过程中,胶体离子间相互联接形成了空间网状结构,在网状孔隙中充满了溶液,这些溶液会在烧成过程中蒸发掉,留下了许多小孔,这些小孔大多为纳米级,形成了微孔陶瓷材料。溶胶?凝胶法可以制备孔径在纳米级、气孔分布均匀的多孔陶瓷薄膜,其最大的优越性在于可以方便地得到多种组成的复合膜,因此正成为无机分离膜制备领域工艺中最活跃的研究领域,引起了国内外众多研究人员的重视。朱承翔等对和最近几年关于溶胶?凝胶法制备三维有序多孔材料报道进行了综述,认为其最新方法主要有种:()以均一半径的粒子为模板并结合溶胶?凝胶法;()以表面活性剂为模板并结合溶胶?凝胶法;()以特殊结构的化合物为模板并结合溶胶?凝胶法。?升华?干燥工艺升华?干燥工艺是将水溶的或含有硅胶的陶瓷浆料置于模具中,以极低的温度冻结,然后经过脱模、升华(冷冻?干燥)过程来获得坯体的成型工艺。通常可用这种方法制备出致密的烧结体。用该法可以制备具有复杂孔结构的多孔陶瓷。当水基陶瓷料浆凝固时,同时控制晶体冰的生长方向;在低压条件下进行干燥处理,此时发生冰的升华现象;再将所得生坯进行烧结。通过以上工序制得的多孔材料体内具有定向排列的宏观开孔,而且在相邻开孔的壁内含有微孔。通过控制起始料浆浓度和烧结时间可以控制孔的结构。等用该法制备出同时含有宏孔和微孔的氧化铝陶瓷。这种制备工艺不仅能够制备其它材料而且是环境友好的。等最近开发了一种新型的对环境友好的升华成型方法,以避免极低温度下的高成本冷冻过程和复杂的工艺。这种技术采用天然的、无毒的材料莰烯()为主的浆料作为成孔赋型剂。?凝胶注模成型技术凝胶注模工艺()是由美国橡树岭国家实验室首先提出的一种被广泛应用的新型成型方法。这种新的成型技术采用非孔模具,利用料浆内部或少量添加剂的化学反应作用从而使陶瓷料浆原位凝固形成坯体,获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯,从而显著提高材料的可靠性。工艺可?第期王圣威等:多孔陶瓷材料的制备与应用研究进展最经济的;原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构且强度较高。等多孔氧化铝陶瓷,其抗弯强度高达,孔隙率高达。使用该工艺制备的?多孔陶瓷材料的应用?熔融金属过滤材料多孔陶瓷由于具有过滤面积大,热震稳定性、化学稳定性和抗金属冲刷以与过滤效率高的特点,因此在金属熔体过滤净化技术中,作为一种新型高效过滤器,得到了人们的重视。目前,它们的应用扩大到包括熔模精密铸造、钢铸造工业与工业铸件等方面,提高它们的机械性能、降低铸件废品率、提高铸件工艺出品率、延长金属切削加工刀具寿命等。多孔陶瓷过滤器净化金属液体的机理除了机械和反应过滤外,更重要的是对金属液起 整流!作用,这种作用使得金属液渣包被破坏,同时延长渣上浮时间,从而达到净化金属液的作用。?催化剂载体据统计,目前世界上的车用催化器载体是多孔陶瓷载体,它具有良好的吸附能力和活性,被覆催化剂后,反应流体经过多孔陶瓷孔道将大大提高转换效率和反应速率。同时还具有优良的抗热震性和化学腐蚀性。其中应用最为广泛的是蜂窝状的堇青石陶瓷载体。近年来,汽车发动机工作介质正朝着富氧燃烧的方向发展,对净化器的净化效果和寿命的要求日趋提高。其中制膜技术增韧堇青石技术它的推广和应用将给化学工业带来根本性改变。?隔热材料多孔陶瓷中存着在大量的闭气孔,使其放热效率大大降低,减少了热传播中的对流,使多孔陶瓷具有热传导率低、抗热震性能优良等特性,是一种理想的隔热耐热材料。由多孔陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖,其材质可为、与镁盐、钙盐等,使用温度高达?,传统窑炉和高温电炉的内衬就多为多孔陶瓷。目前,世界上最好的隔热材料就是这类被称之为 超级绝热材料!的陶瓷壳的隔热与导弹头的强迫发汗。?作为布气材料孔径为的多孔陶瓷用于化工、冶金等过程,可增大气液反应接触面积而加速反应。目前城市废水处理中的活性淤泥法,就使用了大量多孔陶瓷管或板进行布气。其次,通过多孔陶瓷材料将气体吹入固体粉料中,使粉料处于疏松和流化状态,达到传热迅速、受热均匀的目的,加速反应速率,防止粉料团聚,使于粉料的输送、加热、干燥和冷却。特别适合于水泥、石灰和氧化铝等粉料生产厂家的生产与粉料输送。?食品、医药行业用多孔陶瓷材料多孔陶瓷由于具有耐高温、耐腐蚀和良好的生物、化学相容性,因而可用于医药工业中的疫苗、酶、病毒、核酸、蛋白质等生理活性物质的浓缩、分离、精制等。在食品、饮料工业中,特别适用于色、香、味强的饮料与低度酒类的过滤,并可望在啤酒的生产中发挥不可替代的作用。陶瓷分离膜在医药、食品行业用途很广,尤其在、水?乙醇的分离,各类油与水的分离,排放液中有用物质的回收,超纯水制备等方面有着广阔的应用前景。?生物工程材料在传统生物陶瓷基础上研究开发的多孔生物陶瓷,由于生物相容性好,理化性能稳定,无毒副作用的特点而被用于制作生物材料。当用于修补骨缺损部位时,新生物将逐渐进入多孔陶瓷珊瑚状孔隙内,慢慢将多孔陶瓷吸收,最终,这种多孔陶瓷将由新生骨制质取代。与传统生物陶瓷相比,生物体内不会残留任何异物,因而不易感染。国外利用多孔生物陶瓷修复头盖骨、大腿骨、脊椎骨、人造齿根等临床实验均已获成功是提高净化器质量的重要措施。多孔陶瓷作为催化剂载体的研究重点是无机分离催化膜,它结合了多孔陶瓷材料的分离和催化特性,因而具有广泛的应用前景,用于飞机以与航天器外综合评述硅酸盐通报?第卷?辐射活化材料金宗哲等以稀土废渣为主要原料,利用可燃性纤维网造孔分层成型制成了微米多孔陶瓷,这种微米级的多孔陶瓷孔径小、气孔率小(即容重大),从而可以提高单位体积的辐射强度。这种多孔陶瓷,利用其辐射催化的功能可用于活化水,活化油以与空气离子化等方面,可以起到节能减废的作用。同时解决了稀土废渣的再利用问题,其应用前景广阔。?结?语多孔陶瓷的研究与开发已经受到人们的普遍关注,许多应用在技术上已经成为可能。近年来随着多孔陶瓷制备工艺和性能等各方面的进展,以与多孔陶瓷在更广泛领域的应用,取得了巨大的经济和社会效益;同时,在航空航天、军事装备、金属陶瓷复合材料等新的应用领域,对多孔陶瓷材料的需求更加迫切,并且对其性能提出了更高的要求。今后多孔陶瓷材料的发展可表现在如下几方面:()新能源多孔陶瓷材料的制备,如燃料电池的多孔电极、储氢材料等;()环境净化的选择吸收材料;()可重复使用的特殊(型)过滤装置;()高速电子系统的衬底材料;()降低生产成本以与产业化生产等。许多国家和地区,特别是欧、美、日等发达国家在这些方面投入了大量的人力、物力和资金。我国也越来越重视多孔陶瓷材料的开发与应用,并注意到了能源与环保在国计民生中的重要地位,这必将大大促进我国科技工作者对多孔陶瓷材料的研究、开发和应用。参考文献?钦征骑,钱杏南,贺盘发.新型陶瓷材料手册.南京:江苏科学技术出版社.?宋君祥,刘?华,寇志奇,等.刚玉?莫来石?碳化硅质过滤器的开发.耐火材料().?朱新文,江东亮,谭寿洪.多孔陶瓷的制备、性能与应用:()多孔陶瓷的制造工艺.陶瓷学报().?徐振平,郭?敏.一种孔径分布能控制的多孔陶瓷.硅酸盐通报().?孙宏伟,谢灼利,郑?冲.微孔陶瓷膜管的制备与性能.无机材料学报().?吴皆正,易石阳,欧阳琨.可控微米级多孔陶瓷的研制.硅酸盐通报().?周?勇,刘杏芹,杨萍华,等.多孔陶瓷的制备与其研究.中国科学技术大学学报().?朱新文,江东亮.有机泡沫浸渍工艺:一种经济实用的多孔陶瓷制备工艺.硅酸盐通报().?李安明,唐竹兴,王树海,等.陶瓷注凝成型工艺的新进展.现代技术陶瓷().?范小林,冯春祥,宋永才,等. 先驱体转化发制备耐腐蚀性过滤器用多孔陶瓷材料:()泡沫状多孔先驱体的合成!.中国空间科学学会空间材料专业委员会 !学术交流会,昆明年月.?第期().王圣威等:多孔陶瓷材料的制备与应用研究进展?张华民,王志群.无机分离膜的研究现状与发展前景.无机分离膜的制备与表征.无机材料学报().?朱承翔,路庆华.从?和?文献看多孔材料制备的最新动态.化工新型材料().?马?文,沈卫平,董红英,等.多孔陶瓷的制造工艺与进展.粉末冶金技术().?贾天敏,江?度,刘素英,等.过滤器净化金属液机理与含过滤器的浇铸系统设计.铸造().?刘?辉,孙?伟,覃文庆,等.多孔陶瓷材料的应用与发展前景.矿冶工程().?吴皆正,陈五清.氧化锆增韧堇青石陶瓷的研究.硅酸盐学报().?陈俊彦.最新精细陶瓷技术.中国建筑工业出版社.?韩永生,李健保,魏强民.多孔陶瓷材料应用与制备的研究进展.材料导报().?金宗哲,卫?罡,黄丽容.微米多孔陶瓷板与制备方法.中国专利.(上接第页)?孟?雷,陈?奇.生物微晶玻璃的最新进展.硅酸盐通报,().?王德平,黄文日山.玻璃基生物医用材料的研究进展.材料导报().?小久保正,川下将一.?治疗用 .化学工业.?冯?芳,闻获江.内介入放射治疗肿瘤材料的研究概况.苏州丝绸工学院学报().?钱达兴,周?萘,吴知方,等.溶胶凝胶法制备的介入治疗用玻璃微球的性质.玻璃与搪瓷().?梁?寒,郝希山.热疗的生物学机制.国外肿瘤学分册().?陈建华,李玉华,吴?勇,等.钙铁硅铁磁体微晶玻璃形成条件的研究.材料导报().?陈建华,杨南如.钙铁硅铁磁体微晶玻璃晶化与核化的研究.硅酸盐学报().?陈建华,等.钙铁硅铁磁体微晶玻璃热处理制度的研究.材料导报().日?吴知方,黄文山,周?萘,等.磁热效应的铁钙磷酸盐生物微晶玻璃研制.建筑材料学报().文库下载网是专业的免费文档搜索与下载网站，提供行业资料，考试资料，教学课件，学术论文，技术资料，研究报告，工作范文，资格考试，文档，专业文献，应用文书，行业论文等文档搜索与文档下载，是您文档写作和查找参考资料的必备网站。文库下载 上亿文档资料，等你来发现