多孔陶瓷(功能材料与器件第四组演讲)

1、多孔陶瓷 第四组 日期：2013.11.23 多孔陶瓷各方面的特性目录多孔陶瓷多孔陶瓷多孔陶瓷的定义和分类？如何制备多孔陶瓷及其相关的工艺多孔陶瓷应用何处以及未来的发展趋势张德彩孙贵康陆冠宇邝庆亮多孔陶瓷的定义？-张德彩n多孔陶瓷材料是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料、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。多孔陶瓷的定义？n刚玉砂的主要化学成分是AL2O3，大家初高中的时候就知道，AL是一种很活泼的金属，容易被腐蚀，当然Fe也是，但是在常温下为什么Fe被腐蚀了AL还没有被腐蚀，是因为AL能跟空气的的氧气和水分反应形成致密的氧化薄膜AL2O3

2、.所以以刚玉砂为主料的多孔陶瓷它有较好的耐腐蚀性。多孔陶瓷的定义？n如果是以碳化硅为主料的多孔陶瓷，它具备的硬度会更大，碳化硅的硬度介于金刚石还有刚才说过的刚玉之间，比刚玉硬，次于金刚石，还有最主要的是它的熔点，熔点大约在2700摄氏度，由此可见以碳化硅的为主料的多孔陶瓷有更好的耐高温性。多孔陶瓷的定义？多孔陶瓷以气相为主相，含有较多孔洞的功能陶瓷。利用孔洞结构具有功能的无机非金属材料。多孔陶瓷的分类方法n多孔陶瓷分类有很多种方法，目前没有统一的分类标准，根据它的宏观或者微观特性，我们可以按材质，孔径,结构和气孔等分类n1.按材质分类n2.按孔径分类n3.按工艺分类n4.按气孔分类多孔陶瓷的分

3、类方法多孔陶瓷的分类方法按气孔分类多孔陶瓷微孔陶瓷介孔陶瓷宏孔陶瓷开孔型闭孔型贯通孔型多孔陶瓷的特性-邝庆亮n多孔陶瓷具有陶瓷基体的优良性能，如高熔点、高硬度和刚度、高耐磨性、耐氧化和耐腐蚀，隔热性好，电绝缘等。n具有巨大的气孔率、气孔表面以及可调节的气孔形状、气孔孔径及其分布，因而具有有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、渗透性好，具有吸附性等优点。n还具有相匹配的优良热、电、磁、光、化学等功能特性。多孔陶瓷的物理吸附特性n气体液体分子非常小，所以很容易通过疏松多孔的孔壁材料，而污染物的烟气或污渍等颗粒物则被捕集在孔壁表面,因此多孔陶瓷具有过滤和吸附的特性。多孔陶瓷的生物特性n植

4、入的多孔陶瓷为骨单位提供支持框架 ,其相互连通的微孔有利于组织液的微循环并为羟基磷灰石深部的新生骨提供营养，促进纤维组织和新生骨的结合和生长。 骨单位可以此为依托生长,骨缺陷可以重建和修复 ，使多孔材料在孔隙形貌和结构上与骨单位及脉管连接方式相一致,则会进一步促进骨组织的重建 。多孔陶瓷的化学特性n催化剂必须涂覆在一种载体上才能有效的起作用，将催化剂负载于多孔陶瓷高比表面积的过渡层上就构成了一组催化反应器。n虽然起催化作用的是催化剂，但是多孔陶瓷支撑体起到了提供微催化反应器和分散催化剂的重要作用。因催化反应多在高温高腐蚀的化学环境下工作，故多孔陶瓷本身的化学稳定性、热稳定性等性能极好的帮助了催

5、化剂效能的发挥。多孔陶瓷的消声特性n多孔陶瓷具有丰富的孔隙，当声波传播到多孔陶瓷上时，在网状的孔隙内引起空气的振动，进而通过空气与多孔陶瓷基体之间的摩擦，声波的能量转变成热能而被消耗，从而达到消除噪声的效果。即产生了消声阻尼。多孔陶瓷的热学特性n陶瓷是靠声子传热，多孔缺陷会使声子的散射截面增大，故多孔陶瓷的热导率显著降低，所以这种材料具有很好的隔热保温效果。n我们知道陶瓷遭遇到相对高的热震温差时由于热应力的产生会产生断裂现象。多孔陶瓷材料由于其高的气孔分布有效提高了材料的抗热震行为，抗热冲击性能。使陶瓷材料在高温下表现出来的优良机械性能得以大范围应用。多孔陶瓷的光学特性n例如用一般方法制备的长

6、余辉发光材料化学性质不稳定，抗光性差，在一定湿度下会水解，以及硬聚团现象严重，应用受到限制，但一种球状超长余辉光致发光多孔陶瓷材料及其合成方法解决了以往发光粉体经高温烧结后的硬团聚，并提高了粉体的抗水解性能。n当硅做成多孔陶瓷材料的多孔硅，则在室温下用短波长光激发，可以发出明亮的可见光。量子限域观点认为量子限域效应使有效禁带宽度增加造成多孔硅可见荧光发射。多孔陶瓷的电学特性n陶瓷材料本身具有电绝缘性，当其多孔化泡沫化时，多孔结构使路径迂回导致电阻率升高，故多孔陶瓷的绝缘电阻及绝缘破坏电压高，可以应用于需要高压绝缘的地方。多孔陶瓷的磁学特性n多孔陶瓷还有一个令人瞩目的特性就是其良好的微波吸收特性

7、，它对微波的吸收不仅来源于所选用陶瓷本身，而且还来源于具有相互连通开口气孔的网眼结构对微波能量的衰减。其结构中存在复杂的孔道结构，当电磁波入射进碳化硅多孔陶瓷时，局部电场被多孔陶瓷的孔筋散射和反射，电场的方向会发生改变,平行于和垂直于外部电场的孔会被极化，增加了介电损耗；磁场也会改变它的方向，变化的磁场会产生电流，材料通过产生电流来进行磁损耗从而部分吸收电磁波能量。多孔陶瓷在测量上的使用n陶瓷传感器的敏感元件工作原理是当微孔陶瓷元件置于气体或液体介质中时,介质的某些成分被多孔体吸附或与之反应,使微孔陶瓷的电位或电流发生变化,从而检验出气体或液体的成分。如何制备多孔陶瓷？ -孙贵康多孔陶瓷制备的

8、关键和难点在于形成多孔结构，制备工艺分为传统制备工艺和新型制备工艺。添加造孔剂法有机泡沫浸渍法发泡法挤出成型法颗粒堆积法溶胶-凝胶法新型工艺冷冻-干燥工艺大致流程：先将水溶性或含有硅胶的陶瓷浆料在低温冻结, 后经脱模、 减压升华过程获得坯体, 之后再通过烧结热处理, 最终得到多孔陶瓷。优点：适合制备各类尺寸小、 形状复杂的特种陶瓷元件, 获得的制品具有坯体强度高、尺寸精度高、热稳定性好；该工艺很少使用或不使用有机造孔剂, 工艺过程环境污染相对较少。新型工艺梯度构造工艺注意： 多孔陶瓷的制备 添加造孔剂工艺制备多孔陶瓷的关键在于造孔剂种 和用量的选择，其次是粒径的大小。添加造孔剂的目的在于促使多

9、孔材料的气孔率提高，因此它必须满足下列条件：在加热过程中易于排除；排除后在基体中无有害残留物；不于基体反应。造孔剂的种类很多，其造孔原理也有所不同。所以造孔剂可分为无机物和有机物两大类。无机造孔剂如易挥发性无机物碳酸氢铵、碳酸铵、氯化铵等,是通过特定温度下无机物的分解产生大量气体,在冷却后保留多孔陶瓷的制备 下来成为气孔;一些熔点较高,但可溶于水、酸、碱溶液的无机盐Na2SO4、CaSO4、NaCl等,是待基体烧结后,用水、酸或碱溶液浸出造孔剂而保留下来称为气孔6;有机造孔剂如淀粉,碳粉、煤粉等一些天然纤维、高分子聚合物,是在磨具压制成型的过程中自身占有一定尺寸的空间,在随后的烧结的高温条件下

10、氧化(燃烧),并形成一定的气孔。龚森蔚等7采用聚甲基丙烯酸作为造孔剂制备了孔径可控羟基磷灰石父相陶瓷。最新报道,采用棉花纤维作为造孔多孔陶瓷的制备 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,其开口气孔率达35%,弯曲强度高达160MPa8。多孔陶瓷应用何处？-陆冠宇催化剂载体陶瓷传感器生物功能材料环保节能材料航天隔热材料隐身材料过滤材料新能源材料用多孔陶瓷材料多孔陶瓷n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。过滤材料用作高效过滤材料

11、的多孔陶瓷一般须满足如下要求: 开口气孔率高、化学稳定性好、 抗热震性能好; 用于环保( 如水处理等)或食品领域( 如酿酒等) 时还要求具有无毒、 抗菌等特性。1. 超纯水的制备和除菌2. 废水处理用多孔陶瓷过滤工业废水和生活污水已成为废水处理和净化的重要发展方向, 适用各种污染废水, 效率高, 成本低。3. 熔融金属过滤经多孔陶瓷的过滤能除去熔融金属中大部分的夹杂物和气体等杂质, 提高金属材料的强度等内在质量。特别在电子元件、电线用金属和精密铸造用金属方面尤其重要。在过滤净化技术中的应用 因为因为和和等多孔陶瓷材料具有等多孔陶瓷材料具有、的特点，因此，在金的特点，因此，在金属熔体属熔体中，泡

12、沫陶瓷作为一种新中，泡沫陶瓷作为一种新型型高效过滤器高效过滤器，得到人们的重视。，得到人们的重视。n泡沫陶瓷泡沫陶瓷对对铝锌合金组织和性能铝锌合金组织和性能的影响的影响如下：如下：由表中数据可见，泡沫陶瓷由表中数据可见，泡沫陶瓷对对没有污染作用。没有污染作用。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。催化剂载体要求具有比表面积大、吸附 活性高、稳定性良好、抗热震性高和寿命长等特点。n 例如用例如用和和被覆被覆贵金属或稀贵金属或稀土金属土金属催化剂后，可用于催化剂后，可用于，使，使层气中的层气中的CO、CmHn化合物转化为化合物转化为CO2，并，并能使捕获的炭粒能使

13、捕获的炭粒在较低的温度下在较低的温度下起燃，使起燃，使净化净化过滤器过滤器催化再生。催化再生。n 当多孔陶瓷的当多孔陶瓷的时，时，利用多孔，利用多孔陶瓷的这一特点，可陶瓷的这一特点，可某一反应生某一反应生成的气体产物，而使反应速度加快。成的气体产物，而使反应速度加快。敏感元件：陶瓷传感器利用利用制成的制成的，可快速测出土壤中的水分变化，其，可快速测出土壤中的水分变化，其取决于取决于材料的气孔率及孔径材料的气孔率及孔径。多孔陶瓷片两侧多孔陶瓷片两侧后，插入土后，插入土壤中，壤中，将由陶瓷片的将由陶瓷片的电电阻值变化阻值变化而反映出来。而反映出来。利用多孔陶瓷利用多孔陶瓷而制成而制成的的已实际应用

14、。已实际应用。多孔陶瓷用作多孔陶瓷用作、等元件，也是当前研究开发的课题。等元件，也是当前研究开发的课题。 环保节能材料多孔陶瓷材料内部存在的大量细微气孔结构和较低的 体积密度能同时降低对流和传导两种传热方式的传热效率,具有低热导率和较高热稳定性的特点, 是一种性能优良的隔热保温材料, 在满足特定功能的同时还能 减少对环境、 资源的消耗。生物功能材料作为生物材料应用的多孔陶瓷需要满足理化性能稳定、生物相容性好、无毒副作用等要求。多孔羟基磷灰石能够满足以上要求, 同时具有较高强度, 是目前制备人造骨骼的一种理想材料。航天隔热材料美国航天飞机外层使用的绝热瓦( HRSI )就由多孔陶瓷材料构成,它由

15、一种低密度、纯度为 99.8%的 SiO2 非晶纤维绝热层制成。绝热瓦孔隙率高达 90%, 密度仅为 0.14g/ cm2。隐身材料多孔陶瓷吸波涂料是一种研制较多的吸波材料，它比铁氧体、复合金属粉末等吸波涂料的密度低、性能好，而且还可有效地减弱红外辐射信号。新能源材料用多孔陶瓷材料利用多孔陶瓷与液体和气体接触面积大,槽电压比一般材料低的显著特点制作优良的电解隔膜材料。利用多孔陶瓷制备多孔电极。以多孔气体扩散电极为例,它的比表面积不但比平板电极提高35个数量级,而且液相传质层的厚度也从平板电极的10- 2cm 压缩到10-510-6cm ,从而大大提高电极的极限电流密度,减少浓差极化。n多孔陶瓷因其特殊的孔结构和陶瓷本身的特殊性能, 使其成为一种性能优异, 作用独特的新材料。多孔陶瓷的研究和开发工作已经受到人们普遍的重视, 目前, 许多国家和地区, 尤其是欧、美、日在这方面投入了巨大的人力物力。我国也越来越重视多孔材料的开发与应用。多孔陶瓷在许多领域已有广泛的应用, 特别是在能源、环保、化工等方面的应用已初露锋芒。可以预见, 随着各应用领域对多孔陶瓷需求的不断扩大及对高性能多孔陶瓷的迫切需要, 特别是本世纪发展生物技术及控制