多孔陶瓷材料制备工
时间：2021-01-07 04:03:39 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：概述了多孔陶瓷的基本特征，分类，特性，性能，应用领域。详细介绍了多孔陶瓷的传统制备工艺与现代制备工艺的制备方法，优缺点以及适用范围等，以SiC多孔陶瓷为例作具体分析介绍。最后展望了多孔陶瓷材料的发展前景。
关键词：多孔陶瓷？制备工艺？孔径
【分类号】：TQ174.1 ？
1、 引言
多孔陶瓷是一种经高温烧成、体内具有大量彼此相通或闭合气孔结构的陶瓷材料，它的发展始于19世纪70年代。多孔陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、机械强度高、易于再生和优良的抗热震性，低密度、高渗透率、抗腐蚀、良好隔热性能等优点的新型功能材料。
多孔陶瓷的种类繁多，几乎目前研制生产的所有陶瓷材料均可通过适当的工艺制成陶瓷多孔体。根据成孔方法和孔隙结构的不同，多孔陶瓷可分为三类：粒状陶瓷烧结体、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷。根据所选材质不同，可分为刚玉质、石英质、堇青石质、莫来石质、碳化硅质、硅藻土质、氧化锆质及氧化硅质等，根据孔径大小不同；可分为微孔陶瓷（孔径<2？nm）、介孔陶瓷（2？nm<孔径<50？nm）和宏孔陶瓷（孔径>50？nm）三类。根据孔之间关系分类：可分为闭气孔和开气孔两种。（闭气孔是指陶瓷材料内部微孔分布在连续的陶瓷基体中，孔与孔之间相互分离，而开气孔包括材料内部孔与孔之间相互连通和一边开口、另一边闭口形成不连通气孔两种。）
多孔陶瓷材料一般具有以下特性：化学稳定性好，可制成使用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷；具有良好的机械强度和刚度，在气压、液压或其他应力载荷下，多孔陶瓷的孔道形状和尺寸不会发生变化；耐热性好，用耐高温陶瓷制成的多孔陶瓷可过滤熔融钢水和高温气体；具有高度开口、内连的气孔；几何表面积与体积比高；孔道分布较均匀，气孔尺寸可控，在0.05～600mm范围内可以制出所选定孔道尺寸的多孔陶瓷制品。
多孔陶瓷的优良性能，使其已被广泛应用于冶金、化工、环保、能源、电子、石油、医药、生物化学等领域。如利用多孔陶瓷比表面积高的特性，可制成各种多孔电极、催化剂载体、热交换器、气体传感器等；利用多孔陶瓷吸收能量的性能，可制成各种吸音材料、减震材料等；利用多孔陶瓷的低密度、低热传导性，可制成各种保温材料、轻质结构材料等；利用多孔陶瓷的均匀透过性，可制成各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混合元件、渗出
元件、节流元件等；冶金方面作为过滤器可除去液态金属中的杂质；汽车行业用来吸收发动机排放的有害气体；医学领域，可作为骨移植材料。
2、 多孔陶瓷传统制备工艺
2.1？挤出成型工艺
将制备好的泥条通过一种预先设计好的具有蜂窝网格结构的模具挤出成型，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。
其典型工艺流程为：粉体原料+水+有机添加剂—研磨—陈腐—挤压成型—干燥—烧结。
该类工艺的优点在于可以根据需要对孔形状和孔大小进行精确设计，其缺点是不能成形复杂孔道结构和孔尺寸较小的材料，同时对挤出物料的塑性有较高要求。
2.2？颗粒堆积成孔工艺
依靠粗颗粒堆积，颗粒结合部形成多孔结构。粗的颗粒靠细粒熔化粘合，也可以加入易熔的粘结剂结合。这种工艺可通过调整颗粒级配对孔结构进行控制，制品的空隙率一般为20%—30%左右，在原料中加入碳粉、木屑、淀粉、塑料等成孔剂，高温下使其挥发可将整体孔隙率提高至75%左右。
2.3？添加造孔剂工艺
该工艺是通过在陶瓷坯料中添加占据一定空间的造孔剂，经过烧结后，造孔剂离开基体留下孔洞而形成多孔陶瓷。在普通陶瓷工艺中，调整烧结温度和时间可以控制烧结制品的孔隙度和强度，但对于多孔陶瓷，烧结温度太高会使部分气孔封闭或消失，烧结温度太低则制品强度低。采用添加造孔剂的方法则可避免这种缺点，使烧结制品既具有高的孔隙度又有较好的强度。该工艺可通过优化造孔剂形状、粒径和制备工艺来精确设计制品的孔结构，但其缺点是难以获得高气孔率制品。与普通的陶瓷工艺相比，这种工艺的关键在于造孔剂种类和用量的选择。
造孔剂的种类有无机和有机两类，通常使用的造孔剂有炭粉、锯末屑、煤粉萘、淀粉、聚乙烯醇（PVA）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMIMA）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚苯乙烯颗粒等。一些熔点较高，但可溶于水、酸或碱溶液的无机盐或其它化合物如Na2S04、CaS04、NaC1、CaC12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。
3、 多孔陶瓷现代制备工艺
3.1？溶胶—凝胶（sol—ge1）工艺
Sol—gel法具有步骤简单、工艺成熟、孔径可调、气孔分布均匀等优点，适合微孔陶瓷的制备，特别是微孔陶瓷薄膜。其特点在于利用凝胶具有独特的三维网状结构来获得孔径为2—100nm的多孔陶瓷膜。
Sol—gel法按照前驱体的不同可分为醇盐路线和非醇盐路线两种。前者以正丙醇盐、异丙醇盐、叔戊醇盐、正（异）丁醇盐等为原料；后者以氯氧化物、氯化物、硝酸盐、硫酸盐等为原料。但该方法仅限于能发生水解—缩聚反应的体系，陶瓷种类受到一定限制。
例如：用异丙醇铝制成了孔径为8？nm？的？g—Al2O3中孔膜。将正硅酸乙酯加入酚醛树脂中进行水解，硝酸镍作为孔调节剂，形成凝胶后经碳热还原反应生成孔径为10？nm的介孔SiC。
3.2模板工艺
模板法是一种可以精确控制孔结构、孔径大小及其分布的技术。
目前主要有以下几种途径。
多孔体—原位反应法：最典型的是多孔SiC，首先制备多孔碳，然后硅化形成多孔SiC。
聚合物共混技术：？它是制备多孔碳的一项新技术，其原理是共混物的一种组分热解后生成碳，其他组分可完全分解消失而得到孔隙结构。利用聚乙烯/酚醛树脂共混物制成了孔径为几个微米的多孔碳。其中聚乙烯热解后可完全消失，酚醛树脂作为碳前驱体。
低分子模板法：一种名为MCM一241的有序介孔材料.就是利用低分子模板法制成的。它是一种新型纳米结构材料，具有孔道呈六方有序排列、孔径可在2～20nm范围内连续调节、比表面积大和热稳定性高等特点。
聚合物模板法：利用核壳结构（陶瓷为壳，聚合物为核）的模板作用是聚合物模板法制备多孔陶瓷的一项最新技术。它利用胶体—絮凝方法制成聚合物为核、陶瓷为壳的核壳结构，经煅烧去除聚合物球，生成多孔结构。以单分散的粒径为几百纳米的聚甲基丙烯酸甲酯聚合物球为模板，经聚丙烯亚胺改性的陶瓷纳米颗粒（A1203，TiO2和ZrO2）为陶瓷材料，制成了聚合物/陶瓷核壳复合材料，经煅烧制成孔径可控的纳米级多孔陶瓷。
在模板法制备多孔陶瓷的方法中，以木材为模板制备多孔陶瓷是新出现的一个方向.得到的多孔陶瓷主要是具有木材显微结构的木材陶瓷和碳化物陶瓷。前者主要是利用热固性树脂或液化木材浸渍木材或木质材料后经高温炭化制成的新型多孔碳素材料。后者以木炭为模板，通过反应性熔融渗Si法、气相反应性渗入法和碳热还原法等制备，气孔率范围为20%～80%？，它依赖于木材种类和制备方法。
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