多孔陶瓷的制备工艺及应用文献综述

1、文献综述多孔陶瓷的制备工艺及应用肖燕（湖南大学外国语学院201213010322）摘要：多孔陶瓷因其独特结构和优异性能近年来成为陶瓷材料领域的一个研究热点，本文综述了多孔陶瓷制备技术的发展以及其应用。关键词：多孔陶瓷应用制备工艺1 .前言多孔陶瓷又称微孔陶瓷、泡沫陶瓷，是一种新型陶瓷材料，是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料、配以添加剂经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的一种多孔性陶瓷材料。多孔陶瓷一般可按孔径大小分为3类:微孔陶瓷（孔径小于2nm）、介孔陶瓷（孔径为250nm及宏孔陶瓷（孔径大于50nm）o若按孔形结构及制备方法，其又可分为蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷

2、两类，后者有闭孔型、开孔型及半开孔型3种基本类型。多孔陶瓷的发展始于19世纪70年代，初期仅作为细菌过滤材料使用，随着控制材料的细孔结构水平的不断提高，具与玻璃纤维、金属等相比具有可控的孔结构、高的开口空隙率、均匀的透过性、机械强度高、易于再生、较低的热传导性、耐高温、抗腐蚀、使用寿命长等优良性能，给其应用开拓了广阔的前景，被广泛应用于环保、节能、化工、石油、冶炼、食品及生物医学等多个科学领域，引起全球材料科学界的密切关注。虽然目前已有较多关于多孔陶瓷的综述文献，但近些年来在技术发展推动下，新工艺新应用不断涌现，因此有必要结合一些最新文献对多孔陶瓷的制备工艺与应用进行综述。2 .多孔陶瓷的制备

3、工艺多孔陶瓷的性能除与组成因素相关以外，还与气孔形态、大小及分布等因素有密切关联。从制备工艺、结构和性能角度考虑，形成气孔是多孔陶瓷制备工艺的关键步骤，也是多孔陶瓷研究的重点。本文将从介绍目前主流制备工艺着手，重点综述新型制备工艺方面取得的进展。2.1 传统制备工艺一些研发历史较长、技术相对成熟的多孔陶瓷制备工艺已经获得了规模化的生产应用，这些工艺称为传统制备工艺，常见的有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、挤压成型技术、颗粒堆积法等。它们具有工艺流程简单、制备周期短、易于实现规模生产等优点。表1比较了这几种工艺方法的特点工艺添加造孔剂法有机泡沫浸渍法发泡法挤压成型法颗粒堆积法制备方法加入造

4、孔剂高温燃尽或溶解，留卜空洞有机泡沫挂浆，高温燃尽加入发泡剂,悬浮体内发泡成孔泥料通过专用多孔模具挤出粗骨料粘结、堆积而成孔径10nm-1mm100nm-5mm10m-2mm>1mm0.1-600mm气孔率（%0-5070-9040-90<7020-30优点气孔大小、形状可控，工2简单高气孔率，孔径大小可调，制品强度高适合制备闭气孔陶瓷，气孔率大，强度高孔形状大小可控，易于连续生产工艺简单,制品强度高缺点孔分布均匀性差,不适合制备高气孔率的制品制品形状密度不易控制,有机物燃烧污染环境原料要求固XZ条件不易控制不能制备小孔径、异型材料，模具加工困难气孔率低应用一般过滤器金属液过滤器轻

5、质建材，保温隔热材料汽布尾气催化剂载体，红外燃烧器部分无机膜表12.2 新型制备工艺多孔陶瓷的新型制备工艺采取更为精细复杂的工艺过程和控制参数，理论上可以从成分、气孔形态及分布等各方面，实现对多孔陶瓷材料结构的调控，最终达到改善性能的目的。通过诸如梯度构造、溶胶-凝胶技术等新工艺，可以有效改善和拓宽传统多孔材料的性能及应用。虽然这些工艺过程具有精细可控的优点，但同时也存在成本高昂、工艺复杂等问题，限制了新技术的应用范围和推广程度。总体来说，多数工艺还停留在实验室研究阶段。本文将选取孔梯度构造、凝胶注模、放电等离子火花烧结等几种新型制备工艺进行重点介绍2. 2.1利用陶瓷纤维制备多孔陶瓷用纤维来

6、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。利用其纺织特征可以进行三维编织，用三维编织的多孔材料的气孔率，孔径等高度可控。但其受到两个方面的限制：(1)陶瓷纤维的长度和编织性能不足以作为编织材料使用；(2)三维编织技术要求高，成本昂贵。目前使用的纤维多孔陶瓷主要利用短纤维和高温无机粘结剂烧结而成。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

7、热材料及高温过滤材料。2.2.2 凝胶注模工艺凝胶注模工艺源于20世纪90年代，美国橡树岭国家实验室最早将传统陶瓷成型技术与高分子化学反应结合在一起，研制出这种新型陶瓷制备工艺。凝胶注模工艺过程是一个原位成型过程，主要利用有机单体或少量添加剂的化学反应原位凝固成型，获得具有良好微观均匀性和一定强度的坯体，而后烧结制得成品。传统的添加造孔剂的方法工艺简单，孔径可控，成本低，但干燥和烧结过程中气孔容易坍塌。利用凝胶固化所产生的支撑体可以避免上述问题。而且凝胶注模工艺制品具有成型精度高，坯体强度大等优点。利用凝胶注模工艺有机体本身的高温燃尽或凝胶注模工艺与造孔剂法相结合将会是制备多孔材料的一种很好的

8、方法。2.2.3 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。致孔剂梯度排列法是将混有不同粒径致孔剂的骨料按致孔剂粒径从大到小的顺序一层一层的平铺在模具内，经过压制成型、干燥和烧成而制得孔梯度多孔陶瓷。有机前驱体浸渍法是将不同孔径的有机前驱体分别浸入陶瓷浆料中，然后按孔径从大到小的顺序叠放在一起，经干燥烧成即可得到孔梯度多孔陶瓷。沉淀生成法是将改性的不同粒度的致孔剂粉末置入同一陶瓷浆料中，会出现共同沉淀，由于不同粒度致孔剂的沉淀速率不

9、同，可以获得不同粒度的致孔剂组分连续变化的沉积层，经干燥、成型、烧结即可获得具有孔梯度的多孔陶瓷。2.2.4 放电等离子烧结工艺放电等离子烧结工艺（SPS）又被称为等离子辅助烧结、等离子活化烧结、脉冲电流热压烧结等，即通过在粉末颗粒之间直接通入脉冲电流，快速产生高温而实现加热烧结。它具有升温速度快、组织可控性高、节能环保等优点，可极大地缩短烧结时间，所制备材料的组织均匀、性能优异，因此近年来得到了广泛研究和快速发展。但这种工艺也存在制备样品形状结构简单、工艺可重复性差、模具损耗严重、生产成本偏高等缺点，有待于进一步研究。2.2.5 模板合成工艺模板合成工艺是指将陶瓷前驱体注入多孔结构模板中，通

10、过烧结或者其他处理方法将模板去掉，最终获得了复制模板形貌结构的多孔陶瓷，需要注意的是，得到多孔陶瓷的真正结构是所准备模板的反结构。模板可以是天然的，也可以是人工合成的。天然模板就是以天然的多孔材料作为模板，比如常见的木材、沸石、硅藻土和蛋白石等。其中木材等生物材料为模板的仿生材料研究是目前模板法制备多孔陶瓷的研究热点之一。木材的资源丰富，种类繁多，价格低且可再生，木材碳化后就是多孔碳材料，其孔表面比较容易改性，因此利用生物模板来制备多孔陶瓷是非常有意义的。2.2.6 冷冻干燥法该方法将陶瓷浆料进行冷冻，使溶剂从液相变成固相，在干燥过程中，通过降压使冰直接升华成气相得以排除，同时产生开口多孔结构

11、，经烧结后可制得多孔陶瓷。在冷冻过程中，冰在溶剂的形成方向可实现单向控制，因此可获得气孔呈定向排列的多孔结构。3 .多孔陶瓷的应用多孔陶瓷作为以气相为主相的功能陶瓷材料，因其优异的性能被广泛应用于冶金、化工、环保、能源、食品、制药、生物等各个领域作为过滤、分离、布气、吸音、隔热、化工填料、生物陶瓷和催化剂载体等材料。随着多孔陶瓷研究的加深，其应用领域变得极其广泛，由于时间有限，本文仅提取出最有代表性的应用进行描述。3.1 过滤与分离各种废气、城市生活污水和工业废水都需要进行相应的过滤和分离才能排放到自然环境中，多孔陶瓷则扮演着环境净化使者的角色。多孔陶瓷的板状和管状制品组成的过滤装置具有过滤面

12、积大，过滤效率高的特点，以及多孔陶瓷本身具有的耐高温、耐磨损、耐腐蚀、机械强度高、不污染过滤液体以及易于再生等优点，可用于熔融金属过滤、城市地下水和工业污水的处理、混合性气体的分离、非混合性流体的分离、流体中微细粒子的分离及液体离子、有机高分子的吸附分向中。为了防止非金属杂质进入液态金属熔体，人们用多孔陶瓷制成过滤器，用其过滤金属可显著去除金属中的非金属杂质和气体等，提高金属的内在质量。在气体、液体的过滤中，多孔陶瓷过滤器的效果也非常好。多孔陶瓷的微孔孔径如果小到可以和气体的平均自由程相比的程度，在气体混合的情况下，隔一多孔陶瓷分离器,在其低侧便可得到与高压侧的气体组成不同的气体。不相溶的两种

13、液体通过多孔陶瓷时，流体和多孔体的浸润性及表面张力都会影响其透过性能。陶瓷分离膜固耐高温、耐酸碱、抗生物侵蚀、不老化、寿命长等优点，被开发应用于食品工业、生物化工、能源工程、环境工程、电子技术等领域。随着材料科学技术的发展，纳米级多孔无机膜的制备和应用成为人们目前研究的热点。微孔无机膜还应用于光学、电子学、磁学等领域。3.2 催化剂载体在多孔陶瓷基体气孔壁上涂覆催化剂之后，可以用作高效催化材料。由于泡沫陶瓷具有表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、密度低等特点，故广泛用作汽车尾气催化净化器载体。将这种净化器安装在汽车排气管中，可以使排出的CONO2ffi碳氢化合物等有害气体转化成无毒的CO2H

14、2ON2。转化率高达90%以上。将其用于柴油车中，可使炭粒精净化率超过50%当泡沫陶瓷芯积满炭粒时，可采用催化氧化法或电控燃烧法来消除这些沉积的炭粒，以达到再生和长期使用的目的。同时，泡沫陶瓷常用于化工厂、印刷厂、食品厂及有毒、恶臭等有害气体处理。3.3 陶瓷传感器将多孔陶瓷置于气体或液体介质中时，介质中的某些成分被多孔陶瓷吸附或与之反应，导致多孔陶瓷电阻特性发生变化，利用此原理可制成气敏及湿敏陶瓷传感器。陶瓷传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗磨损、测试灵敏、准确且制造工艺简单等特点，目前已广泛用于多种气体及液体的成分检测。在汽车领域，陶瓷传感器作为汽车电子控制系统的信息源已经得到普遍使用，汽车电子

15、化和自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。利用气敏多孔陶瓷材料制备的汽车尾气监测氧传感器，可通过测定尾气排放中的氧浓度来检测发动机空燃比，达到节省燃油，减少CONO舜有害气体排放量的目的，既经济又环保。3.4生物工程材料随着材料科学迅猛发展，几乎所有人体器官(神经系统除外)都可用人造材料所代替。骨移植替代材料的研究和应用更是发展迅速，研究者发现羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙（TCP）为代表的具有多孔结构的活性生物陶瓷不仅具有良好的生物相容性和生物降解性，而且其孔结构为新骨的生成提供了坚固的支架和有效的空间。多孔磷酸三钙陶瓷人工骨材料（MPTCP）,经生物相容性和成骨实验表明,生物相容性好，无毒

16、且能刺激新骨的生成。3.5 隔热吸能由于多孔陶瓷孔隙率高，使得其密度较小、热传导系数较低，从而造成了巨大的热阻及较小的体积热容，使其成为新型保温隔热材料。而且若将其内部抽成真空，那么多孔陶瓷将成为目前世界上最好的隔热材料）超能隔热材料。因而能很好的防止热量的损失而引发的热污染。无论是建筑的外墙、门窗还是屋顶等，彻底淘汰旧式粘土砖瓦、密实钢窗，代之以多孔陶瓷材料，不仅可以节省大量人力物力，更重要的是可以防止热量散失、阻挡室内外的热量交换，从而达到节约能源进而保护环境的目的。4 .结语多孔陶瓷由于自身的优点一直受到人们的关注，随着科技的发展，多孔陶瓷的制备工艺也不断的发展完善，多孔陶瓷的应用范围也

17、不断的拓宽，尤其在环境保护等方面有非常重要的价值；在多孔陶瓷制备及应用的发展中，其孔结构检测方法也随着发展，也涌现出更新、更便捷、更快的检测方法与检测仪器。于此同时，我们还要看到多孔陶瓷的研究与应用中还存在着许多问题，如多孔陶瓷的脆性、多孔陶瓷的孔径大小与形状分布难于精确控制、新制备工艺生产成本高并且难以大规模批量化生产等问题。针对以上问题，需加强对多孔陶瓷孔径尺寸与分布的研究，在定量表征多孔陶瓷孔径尺寸与分布的基础上，做到定量的控制多孔陶瓷的孔径尺寸与分布，这是不论传统制备工艺和新工艺都需要解决的问题。在此基础上，进一步的降低生产成本，推进先进多孔陶瓷的产业化与规模化。参考文献1刘铁艳，牛胜伟.浅谈多孔陶瓷材料制备工艺技术J.现代技术陶瓷，2012,4:46-49.J.中国陶瓷.2008.2曾令可，胡动力，税安泽，等.多孔陶瓷制备新工艺及其进展J.材料导3刘军伟，张彤，范锦鹏，孙陈诚，洪樟连.多孔陶瓷制备工