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多孔陶瓷的制备工艺及应用

日期: 2019-02-12
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多孔陶瓷是一种新型陶瓷材料,也称为气孔功能陶瓷,它是成形后经高温烧成,体内具有大量彼此相通或闭合气孔的陶瓷材料。多孔陶瓷不仅具有传统陶瓷耐高温、耐腐蚀、高化学稳定性等优点,因其具有大量的气孔,比表面积大,密度低,可调的孔径分布,已经被广泛应用于航空航天、能源、冶金、化工、环保、军工和医学等多个领域。

多孔陶瓷的制备工艺及应用



一、多孔陶瓷的制备工艺


1传统制备工艺


(1)添加造孔剂工艺

这种工艺方式主要是根据多孔陶瓷材料的用途以及组分来选择适宜的造孔剂,将造孔剂加入到陶瓷坯料中,这些造孔剂因为具有熔点高的特点,所以在高温烧结的过程中会在陶瓷坯料中占据一定的空间,增加气孔率,而在成型以后,通过水、酸或者碱溶液将其浸出,并且不会残留在陶瓷材料中,最终形成多孔陶瓷材料。


(2)有机泡沫浸渍工艺

有机泡沫(聚合物)浸渍工艺是1963年发明的。它是采用有机泡沫浸渍陶瓷料浆,干燥后在高温下烧掉有机泡沫载体而形成孔隙结构,以获得多孔陶瓷的一种方法。其独特之处在于它借助于有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构,将制备好的料浆均匀地涂覆在有机泡沫网状体上,而烧掉有机泡沫后获得的孔隙是网眼型的。


(3)发泡工艺

这种制备工艺主要是向陶瓷组分中添加适宜的发泡剂,经过一定的处理形成挥发性气体、产生泡沫,最终经过干燥和烧成制得多孔陶瓷材料。此种方法能够更加容易掌控多孔材料的形状、组成和密度,且还可以制备出小孔径闭口气孔材料。但是其也存在一定的缺点,工艺条件不易控制,并且对原料有较高的要求。


(4)挤压成型工艺

挤压成型工艺主要是利用模具来制备多孔陶瓷,模具为蜂窝网状结构,将制备好的泥浆通过模具成型,再进行烧结,即可得到多孔陶瓷。该类工艺的特点就是操作比较简单,成型快但是蜂窝的网格结构比较单一,主要有三角形以及正方形等常见形式,而对于孔道结构比较复杂或者孔尺寸较小的材料则无法使用。


(5)颗粒堆积工艺

主要是利用骨料与微细颗粒的相互堆积而成,其中骨料与微细颗粒的组成相同,在高温的状态下,微细颗粒会产生液相而将骨料连接在一起。这种制备工艺中孔径的大小与骨料的粒径成正比,并且骨料颗粒越均匀,成孔也越均匀。在制备过程中,添加剂的含量、种类以及温度对孔的分布以及大小都会产生影响。


(6)溶胶—凝胶工艺

溶胶—凝胶制备工艺一般用于纳米级孔径、气孔分布均匀的多孔陶瓷制备中,主要是利用溶胶在凝胶的过程中胶体离子之间由于相互联接而形成的空间网状结构,而在这些网状的空隙中充满了溶液,在烧成的过程中,这些溶液会被蒸发掉,从而形成许多小孔。


表1  各种制备工艺比较

多孔陶瓷的制备工艺及应用


2新型制备工艺


(1)利用陶瓷纤维制备多孔陶瓷

用纤维来成型多孔陶瓷主要是利用纤维的纺织特征或纤细形态,而相互架构成三维的孔洞的一种成型方法。利用纤维无序堆积的空隙作为气孔,细小的纤维作为孔壁,高温无机粘结剂连接纤维的交接处,制备出高气孔率 (>90% ),高的比表面积,具有三维贯通气孔的纤维多孔陶瓷。高孔隙率的纤维多孔陶瓷材料具有优良的保温隔热性能、抗热震性能、过滤性能。日前被广泛用做高温隔热材料及高温过滤材料。


(2)孔梯度制备方法

孔梯度陶瓷是指孔径随厚度作有规律地缩小或增大的陶瓷材料,按孔的分布状况可分为连续孔梯度陶瓷和阶梯状孔梯度陶瓷。孔梯度多孔陶瓷的制备方法主要有致孔剂梯度排列法、有机前驱体浸渍法以及沉淀生成法等。


(3)离子交换法

十八烷基三甲基溴化铵在水中与硅酸纳晶体混合,铵盐阳离子自发和硅酸盐的阳离子实现交换,因为盐离子体积比较大,当铵盐离子进入硅酸盐中,就会使硅酸盐的片层结构产生形状的改变,并发生缩聚反应,把有机物包围在硅酸盐的片层中,然后经过高温烧制,多孔陶瓷结构就制作完成了,再通过离子交换工艺制备出来的多孔材料,其表面积和稳定性有待进一步研究,但在催化及吸附方面的发展前景广阔。


二、多孔陶瓷的应用


1过滤材料

多孔陶瓷的制备工艺及应用

微孔陶瓷膜过滤器


多孔陶瓷可根据它的开气孔率,抗热震能力与化学稳定性来判断是否能适合作为过滤材料,一般多孔陶瓷过滤器的孔隙率40%-80%之间,孔隙大小为10—5000μm。现在有些工厂对废水,废液进行处理时采用的就是微孔陶瓷膜过滤器。


2催化剂载体

多孔陶瓷的制备工艺及应用

陶瓷载体汽车尾气净化器


很多工业生产都用多孔陶瓷来作为催化剂的载体。目前,世界上90%左右的汽车尾气催化净化处理器的载体都为多孔陶瓷,蜂窝状堇青石陶瓷为应用最广泛的陶瓷载体;烧覆功能膜后,它可将尾气中的有毒气体,如CO,NO2,HC和烃类等,转化成无毒的CO2,N2和H2O,有效地缓解了汽车尾气给环境带来的污染。


3保温隔热材料

多孔陶瓷的制备工艺及应用

多孔陶瓷保温板


多孔陶瓷由于其内部有很多闭气孔,低导热率,高热稳定性,因此多孔陶瓷可用来作为具有优良性能的保温隔热型材料。多孔陶瓷的导热率与其孔隙率呈负相关,孔隙率越高,导热率越低,但与此同时,其强度也会随之降低。


4生物材料

多孔陶瓷的制备工艺及应用

多孔羟基磷灰石


多孔羟基磷灰石陶瓷有着很好的生物相容性且无毒无副作用,并且这种材料还有较高的强度, 这是目前一种较为理想的骨骼材料,在医学领域具有着重要的意义。陶瓷与木制品结合,能够制造出木基陶瓷,木基陶瓷材料有着优良的电磁屏蔽效应,是一种良好的电磁屏蔽材料。木基陶瓷材料还可作为自润滑材料以及轻质结构材料。


5吸音材料

多孔陶瓷的制备工艺及应用

多孔陶瓷吸音板


多孔陶瓷吸音材料具有较好的耐磨性,耐热性,抗腐蚀性以及良好的抗热震能力,其三维网状结构更有利于吸收声音。但同样由于其强度韧度较低,应用范围受到限制,因此多孔陶瓷的增强增韧将是未来继续研究的方向。


6航空航天材料

多孔陶瓷的制备工艺及应用

航空航天材料


多孔陶瓷由于有较好的化学稳定性,抗热震能力,耐腐蚀性和低导热率,使其成为运用于飞机以及航天器的一种理想耐热隔热的材料。


参考文献

1.刘消冰,《多孔陶瓷材料的制备及应用分析》;

2.张文毓,《多孔陶瓷材料的制备与应用进展》;

3.赵明臻等,《多孔陶瓷的制备方法及其应用》;

4.李进等,《多孔陶瓷的制备方法及其应用》。




多孔陶瓷的制备工艺及应用

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