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泡沫陶瓷的性能及应用

日期: 2018-11-01
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泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代,是一种具有高温特性的多孔材料, 气孔率很高、密度较小并具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构。泡沫陶瓷材料具有良好的耐高温和抗干扰等性能,最早用于铝合金浇铸系统,在金属熔融过程中起到过滤的作用,随着进一步的开发研究,泡沫陶瓷被广泛的应用到多种领域,在社会生产中发挥了重要的作用。 

泡沫陶瓷的性能及应用


1.泡沫陶瓷的分类

(1)按各孔穴是否具有固体壁面,泡沫陶瓷可以分为开孔(网状)陶瓷材料和闭孔陶瓷材料。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中,则称之为开孔陶瓷材料,其孔隙是相互连通的;如果存在固体壁面,则泡沫体称为闭孔陶瓷材料,其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔。但大部分泡沫陶瓷既存在开孔孔隙又存在少量闭孔孔隙。

(2)按照气孔孔径大小,泡沫陶瓷一般可以分为两类微孔材料和宏孔材料,一般来说孔隙的直径小于2nm的为微孔材料;孔隙在2~50nm之间的为介孔材料;孔隙在50nm以上的为宏孔材料。

(3)泡沫陶瓷按材质可分为以下几种:

①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。

②铝硅酸盐材料:以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线石和合成莫来石质颗粒为骨料。具有耐酸性和耐弱碱性,使用温度达1000℃。

③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生产,具有耐水性和耐酸性,使用温度达700℃。

④陶质材料:组成接近高硅质硅酸盐材料,是一种主要以多种粘土熟料颗粒与粘土等混合而得到的微孔陶瓷材料。

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1600℃。

⑥氧化锆材料:基本材质是氧化锆ZrO2,具有高的强度和高温冲击力,耐热温度高于1700℃。

泡沫陶瓷的性能及应用

硅藻土质泡沫材料



2.泡沫陶瓷的性能

1、气孔率高。泡沫陶瓷的气孔率在多孔陶瓷中是最高的,它的气孔率最高可达蜂窝陶瓷的1.5倍。正是由于泡沫陶瓷的这种高气孔率,使得它的网眼孔径能够得到有效的控制。因为在金属熔融过滤过程中,不同的金属溶液对于滤板孔径大小的要求是不一样的,而泡沫陶瓷这一特性能够很好地满足具体的需求。 

2、强度较高。泡沫陶瓷的强度是由它的制成材料和网络骨架的粗细来决定的。骨架的粗细可以用泡沫陶瓷的体积密度来表示。若使骨架变粗可以提高体积密度,增加制品的机械强度。但提高得过多,气孔孔隙会被料浆堵塞,压力损失变大。同时,由于泡沫陶瓷的三维立体结构,使得它在受力过程中,强度不会出现方向性的变化。 

3、热稳定性好。金属在熔融过滤的时候,由于工作环境温度变化快,使得过滤材料在热稳定性方面具有较高的要求。而泡沫陶瓷配件可以很好地满足这一点,所以当前金属熔融过滤中普遍的采用泡沫陶瓷过滤板。 

泡沫陶瓷材料微孔的表面化学特性和微孔的尺寸对泡沫陶瓷的性能有着重大的影响。而决定微孔的表面化学特性的因素有陶瓷的组成、状态和微孔的表面处理等方面。微孔的尺寸特性中,微孔直径、分布、形式、比表面积等对其过滤、分离性能有很大的影响。



3.泡沫陶瓷的应用 

随着科学技术的发展以及社会的进步,泡沫陶瓷被广泛的应用到化工、环保、节能等各个领域,以下做简单介绍。 

(1).过滤器

泡沫陶瓷过滤器由于具有过滤面积大,热震稳定性好、化学稳定性高和良好的抗金属冲刷性能以及过滤效率好的特点,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,不仅适用于铝合金、钛合金等金属铸造过程中的过滤,也适用于钢铁铸件加工过程中对金属溶液的过滤。


(2).催化剂载体

泡沫陶瓷具有良好的吸附能力和活性,被覆催化剂后,反应流体通过泡沫陶瓷孔道,将大大提高转化效率和反应速率。由于泡沫陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特点,作为汽车尾气催化净化器载体已被广泛使用。将泡沫陶瓷汽车尾气催化器安装在汽油车排气管中,可以使汽油车排出的CO、NO有害气体转化成CO2、H2O、N2,转化率可达90% 以上;用在柴油车上,碳粒净化率在50% 以上。当泡沫陶瓷滤芯积满碳粒时,可以采用催化氧化法或电控燃烧法再生,达到长期使用的目的。

泡沫陶瓷的性能及应用

汽车尾气催化剂载体



3、吸声材料

由于从表面到内部具有的三维贯通的网状微孔结构,它可以使吸进的声波在孔隙中振动空气,从而与陶瓷体网络发生摩擦,通过粘滞作用使声波转变为热能而消耗,起到静音效果。被广泛的应用于隧道、地铁、影剧院、录音室等需要静音的环境,以及高架桥、建筑施工现场、露天变压器等高噪音场合。由于此类陶瓷可耐气候变化,抗热、抗震和抗腐蚀,能忍受风吹、日晒、雨淋的侵蚀而不改变网状结构,同时,对其表面美化处理后不会影响其吸音效果,因而具有很好的应用前景。

泡沫陶瓷的性能及应用

深圳滨河大道红树林保护区隔声屏障



4、节能隔热材料

由于泡沫陶瓷中闭气孔的存在,降低了其放热效率,减少了热传播过程中的对流,使泡沫陶瓷具有热传导率低、抗热震性能优良等特性,是一种理想的耐热材料。比如传统的窑炉和高温电炉的内衬就多为泡沫陶瓷。它还被广泛用于航天飞机的外壳隔热。泡沫陶瓷具有巨大的比表面积,在高温条件下,由于热交换面积大,可用作换热材料。如把泡沫陶瓷体放在加热炉烟道口,炉内高温气体可以通过泡沫陶瓷进入烟道,同时把陶瓷体加热到接近炉内温度。另外,作为核工业隔热材料使用,不会因为核辐射而降低隔热性能。总之,泡沫陶瓷做为隔热和换热材料节能效果显著。 



5、医疗卫生方面的应用 

目前在研究领域加大了对泡沫陶瓷构成材料的研究,并取得了一些成果。特别是羟基磷灰石生物陶瓷,被广泛的应用于医疗卫生行业。因为羟基磷灰石陶瓷与人体骨骼、牙齿无机质的成分极为相似,不会危害人体健康,并且具有良好的生物相容性和生物活性。泡沫陶瓷相互连通的孔隙有利于组织液的微循环,可以促进细胞的渗入和生长。

泡沫陶瓷的性能及应用

生物陶瓷人工骨



6、扩散、渗透和吸附方面的应用

应用泡沫陶瓷作一次电池、二次电池、碱性电池、熔盐电池和嫩料电池的隔膜,可以明显的提高电池的寿命。用微孔陶瓷可制作土壤盐分、水分测量传感器。利用泡沫陶瓷均匀分布的气孔,对气焊时回火的氧-乙炔混合可燃气体有阻燃止火作用,可作阻燃止火器。还可根据气孔对高速高能噪音阻滞、耗损作用制成泡沫陶瓷消声器。

    随着对泡沫陶瓷以及相关制成材料研究的加深,泡沫陶瓷的身影越来越多的出现在人们的生产工作中。而且,由于泡沫材料具有使用方便、价格便宜、制造工艺简单的特点,可以通过选择材质和改善制造工艺赋予泡沫陶瓷更多的功能和用途,实现巨大的经济效益和社会效益。不过,泡沫陶瓷当前还存在着一些技术方面的问题,有待进一步的改善和提高。


泡沫陶瓷的性能及应用

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