泡沫陶瓷的发展现状及趋势终稿(毕业论文)

1、毕业设计报告（论文）(2011届)题 目： 泡 沫 陶 瓷 的 发 展 现 状 及 趋 势 所 属 系： 班 级： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 摘 要泡沫陶瓷是一种特殊工艺制作的孔隙率高达70%-90%，并具有三维立体网络骨架结构和贯通气孔的新型多孔陶瓷材料。它具有化学性能稳定、强度高、耐高温、抗热震性好、比表面积大等诸多优点。本文介绍了泡沫陶瓷传统和新型的制备工艺。传统的制备工艺有发泡工艺、添加造孔剂工艺、溶胶-凝胶工艺和有机泡沫浸渍工艺四种；新型的制备工艺有凝胶注模工艺和自蔓延高温合成工艺两种。总结了制备工艺的优缺点，通过比较得出有机泡沫浸渍法，该工艺技术操作方便，制造成

2、本低，是一种经济实用及具有广阔发展前景的泡沫陶瓷制造工艺。其应用方面有：用作导电泡沫陶瓷器、用作泡沫陶瓷过滤煤气、用作地下汽车通道声环境、环境污染治理中的应用、用作新型声屏障材料和用作固定化酵母细胞啤酒连续主发酵工艺等。最后指出：泡沫陶瓷今后应进一步开发诸如基于泡沫陶瓷的结构效应、离子交换效应、催化效应、纳米尺寸效应，以及综合效应来开发其相关的应用，拓宽泡沫陶瓷材料的应用领域。关键词：泡沫陶瓷 工艺 制备方法应用 发展趋势目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc25054 第一章 绪论 PAGEREF _Toc25054 3 HYPERLINK l _Toc13180

3、 1.1泡沫陶瓷的性能 PAGEREF _Toc13180 3 HYPERLINK l _Toc8702 1.2泡沫陶瓷的分类 PAGEREF _Toc8702 4 HYPERLINK l _Toc13269 1.3泡沫陶瓷的特点 PAGEREF _Toc13269 4 HYPERLINK l _Toc4068 第二章 泡沫陶瓷的研究现状及趋势 PAGEREF _Toc4068 5 HYPERLINK l _Toc2539 2.1泡沫陶瓷的研究现状 PAGEREF _Toc2539 5 HYPERLINK l _Toc26730 2.1.1泡沫陶瓷的国内研究现状 PAGEREF _Toc267

4、30 5 HYPERLINK l _Toc16802 2.1.2泡沫陶瓷的国外研究现状 PAGEREF _Toc16802 5 HYPERLINK l _Toc2190 2.2泡沫陶瓷的发展趋势 PAGEREF _Toc2190 6 HYPERLINK l _Toc27138 第三章 泡沫陶瓷的制备工艺 PAGEREF _Toc27138 7 HYPERLINK l _Toc22829 3.1泡沫陶瓷的传统制备工艺 PAGEREF _Toc22829 7 HYPERLINK l _Toc28292 3.1.1发泡工艺 PAGEREF _Toc28292 7 HYPERLINK l _Toc28

5、077 3.1.2添加造孔剂工艺 PAGEREF _Toc28077 7 HYPERLINK l _Toc15256 3.1.3溶胶-凝胶工艺 PAGEREF _Toc15256 8 HYPERLINK l _Toc5330 3.1.4有机泡沫浸渍工艺 PAGEREF _Toc5330 9 HYPERLINK l _Toc4263 3.2 泡沫陶瓷的新型制备工艺 PAGEREF _Toc4263 11 HYPERLINK l _Toc21836 3.2.1凝胶注模工艺 PAGEREF _Toc21836 11 HYPERLINK l _Toc13023 3.2.2自蔓延高温合成工艺 PAGER

6、EF _Toc13023 12 HYPERLINK l _Toc23501 第四章 泡沫陶瓷的发展应用 PAGEREF _Toc23501 13 HYPERLINK l _Toc3968 4.1用作导电泡沫陶瓷器 PAGEREF _Toc3968 13 HYPERLINK l _Toc20127 4.2用作泡沫陶瓷过滤煤气 PAGEREF _Toc20127 13 HYPERLINK l _Toc4494 4.3用作地下汽车通道声环境 PAGEREF _Toc4494 14 HYPERLINK l _Toc23311 4.4环境污染治理中的应用 PAGEREF _Toc23311 15 HYP

7、ERLINK l _Toc19983 4.5用作新型声屏障材料 PAGEREF _Toc19983 16 HYPERLINK l _Toc13110 4.6用作固定化酵母细胞啤酒连续主发酵工艺 PAGEREF _Toc13110 16 HYPERLINK l _Toc831 第五章 总结及展望 PAGEREF _Toc831 18 HYPERLINK l _Toc9944 5.1总结 PAGEREF _Toc9944 18 HYPERLINK l _Toc2657 5.2展望 PAGEREF _Toc2657 19 HYPERLINK l _Toc6262 致 谢 PAGEREF _Toc62

8、62 20 HYPERLINK l _Toc6421 参考文献 PAGEREF _Toc6421 21第一章 绪论 泡沫陶瓷的发展始于20世纪70年代，它是一种气孔率高达70-90%，体积密度只有3，具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构的多孔陶瓷制品。它分布均匀且存在相互贯通的微孔，因而具有密度小、气孔率较高、比表面积大、低热传导率、耐高温、耐腐蚀等优点，可广泛应用隔热隔音材料、工业污水处理、汽车尾气处理、电工电子领域、医用材料领域以及生物化学领域。通过学习国内外泡沫陶瓷的生产工艺，对泡沫陶瓷材料、原理、工艺、应用进行归纳总结，具有重大的意义。本课题重点论述了近年来国内外泡沫陶瓷的研究现状、

9、工艺现状以及泡沫陶瓷的应用，并对泡沫陶瓷的前景进行了展望。 1.1泡沫陶瓷的性能 （1）气孔率 泡沫陶瓷的气孔率为70-90%，对多孔陶瓷来说，这是最高的。蜂窝陶瓷的气孔率约为60%，陶瓷颗粒烧结体的气孔率约为30-50%。 （2）抗弯强度 泡沫陶瓷的强度主要依赖于陶瓷材质和网络骨架的粗细。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，单提高得过多，气孔空隙会被料浆堵塞，压力损失变大。对于蜂窝陶瓷来说，在格子平行的方向、垂直方向和斜度方向强度相差很大，而泡沫陶瓷是一种三维方向一致的结构体，其强度没有方向性的变化。 （3）热震稳定性和网眼孔径 当泡沫

10、陶瓷作为熔融金属的过滤材料时，由于其使用于温度骤变的场合，必须具有良好的抗热震定性。另外，由于金属熔体的粘度、密度及流动性不同，应选择不同大小的滤板网眼孔径。泡沫陶瓷的网眼孔径一般可控制在0.2-3mm范围内，通常分为粗、中细孔三个等级1。 而且，泡沫陶瓷材料微孔的表面化学特性和微孔的尺寸特性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。如：吸附性能是由微孔表面物质的化学组成、结晶构造、非晶质的有无来决定的。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2。1.2泡沫陶瓷的分类 泡沫陶瓷有多种分类方法。

11、按空隙之间关系可分为：闭口气孔和开口气孔两种。闭口气孔是指陶瓷材料内部微孔分布在连续的陶瓷基体中，孔与孔之间相互隔离，开口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。泡沫陶瓷按材质又可分为以下几种： （1）铝硅酸盐材料。以耐火粘土孰料、烧矾土、硅线石和合成莫来石质颗粒为骨架，具有耐酸性和耐弱碱性，使用温度达1000。 （2）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。 （3）瓷质材料。组成接近高硅质硅酸盐材料，是一种主要以多种粘土熟料与粘土等混合而得到的微孔陶瓷材料。 （4）硅藻土质材料。

12、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。 （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16003。1.3泡沫陶瓷的特点泡沫陶瓷作为一种新兴的陶瓷材料有很多优良的特点4。 （1）耐腐蚀性强。通过材质的选择和工艺控制，可制成适用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷。 （2) 良好的机械强度和刚度。在较大的应力负载下，孔的形状不会发生变化。 （3）很强的耐高温性。热膨胀系数低，可以过滤熔融的金属熔液或高温燃气。第二章 泡沫陶瓷的研究现状及趋势2.1泡沫陶瓷的研究现状泡沫陶瓷的国内研究现状 我国1954年才开始进行多孔陶瓷材料的研究工作

13、，泡沫陶瓷的研究更是到了80年代才开始。近20多年来已先后有十几家科研机构和厂家进行了泡沫陶瓷制品的探索研究并取得了一定的成绩。1985年，哈尔滨工业大学叶荣茂等人成功地研究出了用于铸铁、不锈钢过滤的泡沫陶瓷过滤器，填补了我国空白。山东工业陶瓷研究设计院是国内研究、开发泡沫陶瓷比较早的单位，目前开发的产品品种、质量以及生产能力居国内前列，并制定了泡沫陶瓷过滤板建材行业标准5。 目前我国用于有色金属熔体即铝、铜合金熔体过滤的泡沫陶瓷过滤板，其产品质量可与美国Astro公司相媲美，但是目前还未形成生产规模，尚处于开发阶段。为了到性能优异的泡沫陶瓷，制备工艺在不断的改进，最为可行的方法是有机泡沫浸渍

14、法。上海硅酸盐研究所的朱新文等用有机泡沫浸渍法来制备SiC泡沫陶瓷，收到了良好的效果。泡沫陶瓷的国外研究现状 泡沫陶瓷的使用可以追溯到19世纪70年代，到了20世纪70年代，一些发达国家如美国、日本在此种材料的开发及使用上得到了长足的发展。1963年Schwartzwalder发明了制造高气孔率多孔陶瓷的有机泡沫浸渍法，使多孔陶瓷的制备又迈上了一个新的起点。从此，欧美国家就积极开展该工艺的研究，并研制出可过滤大多数有色金属和合金铸件的多种材质的泡沫陶瓷过滤器，这些国家已有先进的成型、烧成设备和完善的生产工艺制度，可实现大规模连续化生产。 美国的Ultramet公司，利用有机体的泡沫骨架，用CV

15、D/CVI法将泡沫陶瓷料浆喷涂在骨架上，可获得高孔径密度的产品，大大提高了产品的机械性能6。1978年，由美国的Mollard FR和Davidson N等人利用氧化铝、高岭土之类的陶瓷浆料成功地研制出泡沫陶瓷，并应用于熔融金属铸造过滤，显著地提高了铸件质量，降低了废品率。之后，英、日、德、瑞士等国竞相开展了研究.现在泡沫陶瓷的生产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，已研制出多种材质、适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器，如A12O3, ZrO2, SiC, SiN等高温泡沫陶瓷，产品也己系列化、标准化，形成了一个新兴产业。 目前世界上生产泡沫陶瓷规模最大的厂家美国的Astro和Sel

16、ee公司，采用浸渍辊压成型机成型，坯体用微波千燥，高温辊道窑采用计算机监控连续烧成，检测及封装也均机械化，整个生产工艺达到了很高的技术水平7。应用领域已从铝合金发展到高温钢铁溶液的精炼、过滤，并应用于化工、环保、节能等方面。在铸造行业国际上工业较发达的国家，已普遍采用金属熔体过滤工艺，获得了很好的效果。据报道，在生产生铁铸件时，采用泡沫陶瓷过滤器，已使产品的合格率提高到80%。灰口铁和可锻铸铁采用泡沫陶瓷过滤器进行净化，仅机械加工车间的废品率就从35%降低到0.3%。在连续铸钢中，采用泡沫陶瓷过滤，能使不锈钢中非金属夹杂物的含量减少大约20%。2.2泡沫陶瓷的发展趋势 具有优良性能的泡沫陶瓷材

17、料已经被越来越多人所认识，被广泛应用于冶金、化工、环保、节能、医学、电子等领域，给现代工业和现代生活带来了极大的经济和社会效益。泡沫陶瓷制造工艺简单，通过材质的选择和工艺控制，可以制成适合于不同用途的泡沫陶瓷产品，为了更好的利用泡沫陶瓷材料，目前存在的一些问题绝对不应该忽视。首 先 ，泡沫陶瓷的深层次理论研究不多，这在很大程度上制约了泡沫陶瓷及其他多孔材料的深人研究和广泛应用。因此，应加大多孔材料的基础理论研究，以促进多孔材料研发。 其次，泡沫陶瓷的主要用途还局限于传统的过滤作用，应用领域受到一定限制，今后应进一步开发诸如基于泡沫陶瓷的结构效应、离子交换效应、催化效应、纳米尺寸效应，以及综合效

18、应来开发其相关的应用，拓宽泡沫陶瓷材料的应用领域。 最后 ，应该加大对闭气孔泡沫陶瓷材料的研究力度泡沫陶瓷，特别是闭气孔的泡沫陶瓷材料是很好的吸音、隔热、抗冲击材料近年来，欧洲、日本、美国先后有大量的关于闭孔陶瓷的专利出现，但是基于应用方面的报道还较少8。第三章 泡沫陶瓷的制备工艺3.1泡沫陶瓷的传统制备工艺发泡工艺 （1）原理 发泡法可以制备形状复杂的泡沫陶瓷，以满足一些特殊场合的应用。主要原理是在陶瓷粉料中加人适当的发泡剂通过化学反应产生挥发性气体从而产生泡沫，然后再经干燥和烧成制得。目前常用碳化钙、氢氧化钙、铝粉硫酸铝和双氧水作发泡剂，在制备过程中加人部分陶瓷纤维可以增加坯体在烧结过程中

19、的强度，避免粉化和塌陷。 （2）工艺过程 发泡工艺发明于20世纪70年代，陶瓷组分和有机或无机化学物质，通过化学反应产生挥发气体后烧成泡沫陶瓷9，10。采用碳酸钙、氢氧化钙、硫酸铝和双氧水等作发泡剂，首先将经过预处理的球型原料颗粒置于模具内，在氧化气氛和压力作用条件下加热(约为900-1000)使颗粒相互粘结，颗粒内部的发泡剂则释放发泡而使材料充满模腔，冷却后即得到泡沫陶瓷。传统上将碳酸钙与陶瓷粉末混合，并形成合适形状的预制体，在烧制过程中碳酸盐因锻烧而放出一氧化碳和二氧化碳气体，在陶瓷中留下孔隙。这类多孔产品已有多年的工业应用，经济的制造方法是将陶瓷粉末与樟脑和增塑剂混合后挤压成管、棒、块等

20、各种形状，最后烧成多孔陶瓷制品。 （3）优缺点 通常，直接发泡工艺是在浆料中加入高分子黏结剂，发泡后将泡沫在室温或烘箱内干燥固化。然而，所制备的坯体强度低、容易在干燥固化时开裂。Carn11等人采用冷冻干燥的方法制备解决了固化时开裂的问题，但是水灾凝固的过程中液态变为固态小晶粒，会对陶瓷颗粒堆积产生破坏；而且冷冻干燥工艺设备要求较高，操作复杂，所以在目前的技术条件下好难以广泛应用。 添加造孔剂工艺 （1）原理此工艺是通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫陶瓷。造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫陶瓷材料气孔的形状和大小。其成型

21、方法主要有模压、挤压、等静压、注射和粉料浇注等。利用这种方法可以制得形状复杂的泡沫陶瓷制品，但制品气孔分布的均匀性较差。添加造孔剂法制备泡沫陶瓷的工艺流程与普通的陶瓷工艺流程相比，这种工艺方法的关键在于造孔剂种类和用量的选择12。 （2）工艺过程该工艺通过在陶瓷配料中添加挥发性或可燃性造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，造孔剂在高温下挥发或燃尽，在陶瓷体中留下空隙来制备多孔陶瓷。由此法可以制备形状复杂、孔隙结构各异的多孔制品。其工艺类似于普通陶瓷工艺，关键是造孔剂的种类和用量。造孔剂颗粒的大小和形状决定了多孔陶瓷材料气孔的大小和形状。用该法制备的多孔陶瓷，气孔率一般在50%以下13。造孔

22、剂的种类有无机和有机二类:无机造孔剂有碳酸馁、碳酸氢按、氯化铁等高温可分解盐类，以及其它可分解化合物如Si3N4或无机碳，如煤粉、碳粉等:有机造孔剂主要是一些天然纤维、高分子聚合物和有机酸等，如锯末、苯、淀粉、及聚乙烯醇、尿素、甲基丙烯酸甲脂、聚氛乙烯、聚苯乙烯等。 （3）优缺点该工艺可制成形状复杂及各种气孔结构的泡沫陶瓷制品，但缺点是气孔尺寸分布的可控性差、气孔率低。虽然在陶瓷工艺中，采用调整烧结温度和时间的方法可以控制产品的空隙度和强度，但对于泡沫陶瓷，温度太高，会使部分气孔封闭或消失。温度太低，则产品强度低；而采用添加造口剂的方法则可以避免上述缺点，使产品既有好的孔隙度又有好的强度。这种

23、工艺方法的关键在于造孔剂种类和用量的选择。溶胶-凝胶工艺 （1）原理溶胶-凝胶方法主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料。同时本方法经改进后也可以制备高规整度泡沫陶瓷材料。运用溶胶一凝胶技术制备泡沫材料，在溶胶向凝胶的转化过程中，体系的粘度迅速增加，从而稳定了前期产生的气泡，有利于发泡。该工艺与其它工艺相比有其独特之处，它可以制备孔径在纳米级气孔分布均匀的泡沫陶瓷薄膜14。 （2）工艺过程溶胶-凝胶法制备多孔陶瓷起源于1952年，直到1975年Yoldas用溶胶-凝胶法成功合成透明多孔氧化铝凝胶以来，此法在制备多孔材料方面便得到了广泛应用。该方法大多数产生纳米级气孔，多用来制备微孔陶瓷膜和多孔

24、陶瓷载体。溶胶-凝胶工艺是一种新的制备多孔陶瓷的方法。它主要是在溶胶一凝胶基本原理的基础上，利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理等过程中留下小气孔或借助有机泡沫烧后的多孔骨架，从而形成可控多孔结构。其基本过程为:将金属醇盐溶于低级醇中，缓慢滴入水以进行水解反应，得到相应的金属氧化物溶胶;调节其pH值，通过凝聚缩合反应，纳米尺度的金属氧化物微粒发生聚集，形成无定形网络结构的凝胶。将凝胶干燥并作热处理，有机物产生分解后，即得到多孔金属氧化物材料15。与其它工艺相比具有粒子细小、活性大、工艺简单并能实现多组份均匀掺杂、处理温度相对较低等特点。 浸土浸渍干燥多孔模热处理Sol-Gel法制

25、备交替溶液多孔载体清洗处理图1 多孔陶瓷膜主要工艺流程图 （3）优缺点溶胶-凝胶法作为一种比较先进的陶瓷材料制备方法，在粉体、薄膜以及块体材料的制备中，已经得到广泛应用。由于，溶胶向凝胶的转变过程，实际就是液相-固相转变。所以，可以利用这一转变实现泡沫的固定，制备泡沫陶瓷，而无需外加固化剂。在方法的优点是不会引进杂质，尤其适合对杂质要求较高的场合，已经成功制备出SiO2以及含有SiO2的泡沫陶瓷16。将前躯物正硅酸乙酯（TEOS）的水解产物SiO2溶胶（或商业SiO2溶胶），用酸调节pH值至5-6；加入表面活性剂；然后通过搅打或加入化学试剂产生泡沫；利用SiO2溶胶在凝胶过程中粘度的迅速变化固

26、定泡沫。通过调节溶胶粘度和发泡工艺，可以改变空隙率以及孔径分布。泡沫SiO2溶胶-凝胶系统已经应用于多孔陶瓷体系，例如胶体二氧化硅、勃姆石和氧化锆。有机泡沫浸渍工艺 （1）原理目前泡沫陶瓷最理想的制备方法是有机泡沫浸渍法，这一点已被许多研究者所实，用此种成型方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域获得大量应用。该方法通过控制浆料性能，优化无机粘结剂体系，严格控制浆料浸渍工艺过程，可以制备高性能的泡沫陶瓷制品。但是有机泡沫浸渍法工艺存在一个明显的缺陷，即制品的孔隙结构尤其是孔径取决于所选有机泡沫体的孔隙结构和孔径大小。而目前所供选用的有机泡沫体的网眼尺寸是有限的，这在一定程度上制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径

27、和结构。朱新文17等，采用三维网状有机泡沫材料为载体，先用浸渍工艺制备出高孔隙率且几乎没有堵孔的网眼坯体，经排塑、预烧处理获得具有一定强度的预制体。预制体的孔棱呈疏松多孔结构，通过对预制体进行进一步表面处理，很好地解决了这一问题。 （2）工艺过程该方法是利用有机泡沫浸渍陶瓷料浆，干燥后烧掉有机泡沫而获得泡沫状多孔陶瓷，其工艺流程如图2所示18。浸渍处理除去多余浆料烧成干燥排除有机体泡沫有机泡沫体的选择预处理陶瓷粉料、溶剂浆料制备图2 有机泡沫浸渍流程图在有机泡沫浸渍时，先将泡沫挤压，排除空气，然后将其浸入陶瓷料浆中，让泡沫在料浆中自然伸展并吸附料浆；接下来去掉多余的料浆，常用方法有手工揉搓法和

28、机械辊压法，无论采用那一种办法，其目的是使坯体中料浆分布均匀且无死孔。多孔素坯的干燥方法可以采用阴干、烘干或微波干燥，水分在1%以下方可入窑烧成。在烧制过程中，有两个重要阶段，即低温阶段和高温阶段。在低温阶段，升温速率不宜过快，如果升温太快，会使有机物剧烈氧化而在短时间内产生大量气体，造成坯体开裂和粉化。在高温阶段，要选择合适的烧结温度，烧结温度太低，制品强度不够；如果烧结温度过高，泥浆将会瓷化，虽然制品的强度得到了提高，但制品的耐热冲击性能和表面活性都将降低，进而导致多孔陶瓷对杂质的吸附能力降低。 （3）优缺点 该方法通过控制料浆的性能，优化无机粘结剂体系，严格控制浆料浸渍工艺过程，可制备出

29、高性能的泡沫陶瓷制品，是目前泡沫陶瓷最理想的制备方法。用这种成型方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域获得大量应用。3.2 泡沫陶瓷的新型制备工艺凝胶注模工艺 （1）原理美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺Gel一Casting19，它是一种被广泛应用的新型成形方法。这种成形技术采用非孔模具，利用料浆内部或少量添加剂的化学反应作用从而使陶瓷料浆原位凝固形成坯体，获得具有良好微观均匀性和形状的坯体，从而显著提高材料的可靠性。Gel一Casting工艺可以使悬浮体泡沫化且能使液体泡沫原位聚合固化。作为制备泡沫陶瓷的一种新型方法，悬浮体泡沫化是最经济的，原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构且强度较

30、高。Pilarsepulveda使用该工艺制备的多孔氧化铝陶瓷，其抗弯强度高达26MPa，孔隙率高达90%20。 （2）工艺过程 采用凝胶注模法制备莫来石泡沫陶瓷的工艺流程如下：发泡剂发泡陶瓷浆料莫来石粉体水和分散剂有机单体聚合反应引发剂催化剂脱模干燥烧成图3 凝胶注模法制备莫来石泡沫陶瓷的工艺流程 （3）优缺点由于氧气对自由基聚合反应有阻隔作用，所以，凝胶注凝工艺必须在隔绝空气的环境下完成21，相应地对设备要求较高。岛井等人22利用聚合物的交联反应固化泡沫，解决了自由基聚合反应需要隔绝氧气的缺点，成功开发出多种泡沫陶瓷。自蔓延高温合成工艺 （1）原理1967年。苏联科学家Mazhanov A

31、G发明了自蔓延高温合成工艺SHS，又称为燃烧合成法23。该方法高效、节能，可以制备出性能优良的陶瓷材料，其产品具有较高的孔隙率，因此常用改方法制备具有联系网格结构的陶瓷材料。其基本思路是：当温度高于必要的点火温度时，诱发体系产生局部的化学反应。改反应时放热反应，在持续放热下，燃烧将涉及到整个体系。SHS的本质是一种高放热无机化学反应，今年来该SHS技术受到了广泛的关注。 （2）工艺过程 其基本反应过程是:向体系提供必要能量(点火)，诱发体系局部产生化学反应，此后，这一化学反应过程在自身放出的高热量的支持下继续进行，最后将燃烧(反应)波蔓延到整个体系，从而制备出所需的陶瓷材料24。 （3）优缺点

32、 材料的SHS技术以其高效、节能、经济和所得材料的良好的孔隙率，用这一特点可用来制备具有多孔连续网络结构的陶瓷材料，通过添加造孔剂可进一步提高产物的连续开放空隙率25。因为自蔓延反应速度很快，在如此短的反应时间内使产物打到完全烧结是比较困难的，自蔓延反应后的产物可以附加一个烧结进程，以进一步提高产物的强度26。第四章 泡沫陶瓷的发展应用4.1用作导电泡沫陶瓷器 杜庆洋27通过对导电泡沫陶瓷过滤柴油机排气微粒的研究发现：柴油机排气微粒对环境危害严重，研究开发排气过滤技术是解决问题的有效措施之一。利用表面密集排列短纤维的导电泡沫陶瓷作为微粒过滤器的滤芯，对柴油机排气微粒的过滤效率可达90%，并可进

33、行原位通电加热再生，再生后过滤效率不下降。同时，对表面纤维化导电泡沫陶瓷的过滤机理进行了初步探讨。并对此前景进行了分析：表面纤维化的导电泡沫陶瓷在对柴油机排气微粒保持较高过滤效率前提下，可以方便地通电原位再生，是其最大优势。如果将其安装到柴油车上实际应用，可能再生装置连接和控制会比普通过滤器的安装和使用复杂些，要对车辆稍加改造，这是它与现用过滤器相比比较不利的方面。导电泡沫陶瓷过滤器如果在柴油车上使用，包括过滤器材料、催化剂、电极制备和智能控制系统，其成本约为3000元人民币左右，这与几千美元的进口蜂窝陶瓷和金属过滤器相比，要便宜得多。从2004年7月开始，我国在汽车尾气排放方面，对轻型柴油车

34、全面实施了EU-3标准，而对重型柴油机车也将实行更为符合排放标准，都必须安装微粒过滤器。到2004年，我国柴油车保有量已经达到了120万辆，并且其增加的速度也越来越快，仅新车队过滤器的年需求来估算，其产值将过亿。因此，导电泡沫陶瓷过滤器将拥有良好的应用前景和市场价值。4.2用作泡沫陶瓷过滤煤气 通过对泡沫陶瓷过滤煤气技术研究，姬宏杰、肖波和杨家宽28采用一种新的除尘工艺，采用泡沫陶瓷片作为过滤元件进行模拟高温焦炉煤气除尘，增加了有效工作时间，避免了传统工艺很容易堵塞的弊端；并对相关实验数据进行了记录分析，充分验证了实验方案的有效性；最后，对泡沫陶瓷的相关应用做出了探讨性的预测。由于我国炼焦企业

35、采用传统的生产工艺，生产数量又如此之大，炼焦厂成了污染环境的大户。根据传统的炼焦工艺29，从焦炉出来的荒煤气进入集气管之前，已被大量的氨水喷洒冷却，煤气中的焦油雾和水蒸气大部分凝结成液体，同时煤气中的粉尘、焦粉被捕集下来，煤气中水溶性的成分也溶入氨水中。这样，焦油、氨水以及粉尘和焦油渣混于一体，处理这样的污水及其困难，而其效率不高。另外，经喷洒冷却处理这样的煤气中还有悬浮颗粒，必须继续除尘。在新的工艺中，采用陶瓷过滤器进行高温细粉尘的过滤，可大大提高过滤效率和企业的经济效益。研究表明，与其他类型的除尘器相比，陶瓷过滤器的除尘效率高，可达99%以上，能出去5m以上的尘埃30，其结构简单，最重要的

36、是耐高温，工作温度可达800以上，因此陶瓷过滤器在高温除尘方面可起重要作用。4.3用作地下汽车通道声环境 通过对泡沫陶瓷在城市地下汽车通道声环境设计中的应用，胡湘晖31详细介绍了泡沫陶瓷这种新型吸声材料的性能特点，探讨了其在城市地下汽车通道；声环境设计中的应用，并对其推广的社会、经济效益作了展望。世纪公园彩色景观路面的铺设使路面色彩与周围景致相辅相承，组成了怡人的风景画，使人们流连忘返，也给我国彩色沥青生产企业带来了广阔的发展空间。目前，虽然彩色沥青混合料最为成功的色彩为红色系列下阶段应进行更多色彩产品的研制。尤其当务之急需要进一步研究的课题有:色彩的耐久性；彩色沥青路面的不吸尘性、耐污染性；

37、其它结构与形式彩色路面的研究等。相信随着彩色沥青混合料的推广应用及实践积累，这些问题将逐步得到解决。 （1）地下汽车通道设计中改善声环境的技术措施。隔音和吸声是创造良好声环境的基本工程技术措施。声音的传播实质就是一个能量传递的过程。隔声实际上是一个防止声能透射的过程；而吸声却是一个将声能转换为热能的能量转换过程。噪声自声源发出后，经中间环境的传播、扩散到达接受者，因此解决噪声污染问题就必须依次从噪声源、传播途径接受者三方面分别采取在经济、技术和要求上合理的措施。从声源控制噪声是最根本的措施，但使用者很难对噪声源进行根本的改造，而主要靠操作的限制(例如使用功率、操作时间等)。对于传播途径却能从规

38、划、设计上考虑(例如总平面布置、吸声、隔声等)。对于接受者则可以从合理的声学分区或采取其它措施保护。对于城市地下汽车通道这种四面封闭的特殊建筑形式来说，只有在声音传播途径上采用吸声材料才能从根本上解决通道内部的噪声污染问题。多孔材料一直是主要的吸声材料。这类材料最初是以棉、毛等有机纤维材料为主，现在则大部分由玻璃棉、岩棉等无机纤维材料代替。除了棉状的以外，还可用适当的粘结剂制成板状态或加工成毡，制作成品。这些材料中含有许多微小间隙和连续气泡，因而具有一定的通气性。当声波人射到多孔材料时，引起小孔或间隙中空气的振动。小孔中心的空气质点可以自由地响应声波的压缩和稀疏，但是紧靠孔壁或材料纤维表面的空

39、气质点振动速度较慢。由于摩擦和空气的粘滞阻力，使空气质点的动能不断转化为热能；此外小孔中空气与孔壁之间还不断发生热交换，这些都使相当一部分声能因转化为热能而被吸收。它们在稳定而较好的室内环境中能起到较好的吸声降噪效果，但在潮湿、灰大、气杂、管线多的地下汽车通道中却显得无能为力。地下汽车通道中一般空气潮湿，多孔材料受潮后，材料的间隙和小孔中的空气被水分所代替，使空隙率降低，从而导致吸声性能的改变。地下通道中空气粉尘含量较大，也易堵塞这些吸声材料的孔隙，降低其吸声性能。由于地下汽车通道中汽车尾气得不到充分而及时的抽排，大量的有机和无机废气充斥其中，并与水结合形成腐蚀性极强的液体，滞留在吸声材料的孔

40、隙中，腐蚀着这些吸声材料，减少它们的使用寿命。同时，城市地下汽车通道通常又与城市基础设施管廊结伴并行，大量的电力、电讯管线借助地下通道的牢固结构从中穿越，因而火灾也威胁着其中吸声材料生存。另高速行驶汽车的失控冲撞和人为的破坏还时刻考验着吸声材料的强度、硬度。所有这些不利的环境因素将这些传统的吸声材料挡在了汽车通道的建设之外。泡沫陶瓷的出现克服了传统吸声材料在室外声环境应用中的不足，使得设计人员能够运用泡沫陶瓷改善局部地段的室外声环境。(2)泡沫陶瓷是城市地下通道中较理想的吸声降噪材料。泡沫陶瓷的出现克服了传统吸声材料在室外声环境应用中的不足，使得设计人员能够运用泡沫陶瓷改善局部地段的室外声环境

41、，地下通道有望变安静。泡沫陶瓷也是一种多孔材料，其吸声原理如前所述。它采用陶瓷原料，经相应工艺制造而成，具有大量从表到里的三维连通的网状小孔结构。当声波传入泡沫陶瓷内部后，引起孔隙中的空气振动，并与陶瓷筋络发生摩擦，由于粘滞作用，声波被转化为热能而消耗，从而达到吸声效果。它具有高强度、高硬度、防潮、抗腐、阻燃防火、耐高温、耐气候变化等特点，能在各种常规室外环境下使用，是一种全天候的吸音降噪材料。4.4环境污染治理中的应用 许顺红和查振林32讲述了泡沫陶瓷在废水处理和废气处理领域的应用，并对泡沫陶瓷在环境中的应用前景和发展趋势作了预测。在水处理中的应用：泡沫陶瓷在水处理中可以作为过滤器，用其替代

42、目前国内水处理行业中使用的石英砂过滤材料，可大幅度提高水处理效率，减少环境污染，降低水处理成本。泡沫陶瓷的过滤是集吸咐、表面过滤和深层过滤于一体，且以深层过滤为主的一种过滤方式。由于泡沫陶瓷具有充分发育的孔结构，比表面积较大，能够吸附水中微小的悬浮物，主要以物理吸附为主。表面过滤主要发生在过滤介质的表面，泡沫陶瓷起到一种筛滤的作用，大于微孔孔径的颗粒被截留，被截留的颗粒在过滤介质表面产生架桥现象，形成了一层滤膜。这层滤膜也能起到重要的过滤作用，可防止杂质进入过滤层内部将微孑L很快堵塞。深层过滤发生在泡沫陶瓷内部，由于泡沫陶瓷孔道的迂回，加上流体介质在颗粒表面形成的拱桥效应、惯性冲撞如布朗运动的

43、影响，因此，其过滤精度比本身孔径小得多，当过滤液体介质时，泡沫陶瓷的过滤精度约为其本身孔径的1/10-1/51。在废气处理中的应用：传统的吸附工业废气主要可分为重力惯性除尘、湿法除尘、电除尘和过滤除尘等方法。由于湿法净化回收系统存在着能耗高、二次污染的缺点，所以有逐渐被干法代替的趋势。在我国以往对废气的过滤除尘，大多采用玻璃纤维或改性玻璃纤维作过滤材料，由于这些过滤材料耐温较低（不能高于400）并且操作不当容易造成纤维袋被高温气体击穿等问题，所以耐高温、抗热震性能优良的泡沫陶瓷越来越多的被用于高温废气的过滤除尘中。4.5用作新型声屏障材料 通过对泡沫陶瓷吸声特性的介绍，周海燕33指出泡沫陶瓷具

44、有良好的声学性能，力学性能，耐候性，防火性等特点，其材料制成的吸声元件，在中低频具有良好的吸声性能，适于在公路建造声屏障时使用。声屏障设置的目的是隔声降噪，因此，在声屏障的设计中除了要求有一定的隔声量外，还需借助材料本身的吸声性能来减少噪声福射强度。目前国内外用于道路声屏障的吸声材料主要有超细玻璃棉、矿棉等无机纤维类材料，作为吸声材料，该类材料具有许多优点，如：吸声系数大、比重轻、阻燃、导热系数低、价格便宜等，但作为声屏障的吸声材料，仅有以上性能是不够的。交通噪声发生于室外露天环境，条件比较恶劣，因此，在选择吸声材料时首先要满足在任何气候和室外环境，都不会改变其原有的声学特性，其次还要求有较高

45、的强度、经久耐用、耐污染、美观、易于施工和维护，防火防潮等特性。通过对泡沫陶瓷吸声材料和吸声结构体的声学性能和力学性能研究，指出泡沫陶瓷具有重量轻、强度高、吸声性能好、经久耐用、安全可靠、结构形式灵活、施工安装简便等特点，吸声用泡沫陶瓷特别适合在高温和潮湿的环境下使用。泡沫陶瓷具有比较稳定的力学性能，能在室外露天使用，常年经受风吹、日晒、雨淋、不会改变自身的网状结构和吸声性能，是一种理想的公路声屏障材料。泡沫陶瓷吸声构件在公路交通噪声能量集中在200千赫兹具有良好的吸声性能，能很好的吸收因反射而产生的混响声，使屏障内行车道区域声环境得到有效改善。泡沫陶瓷性能/价格比高，经济和社会效益好，代表了

46、新世纪吸声材料的发展方向，使我国的公路声屏障材料又增添一优良品种，具有十分广阔的应用前景。4.6用作固定化酵母细胞啤酒连续主发酵工艺 程江峰，王帅34通过采用泡沫陶瓷固定化酵母细胞，并对其应用于啤酒连续主发酵进行了实验研究，获取了优化的工艺条件。 固定化技术应用于啤酒的工业化生产，主要是实现快速发酵的目的，首先在主发酵阶段获得了成功，目前已应用于整个啤酒的发酵过程，主发酵阶段35。固定化酵母细胞常采用的方法是在聚合物载体中进行包埋，将其应用于啤酒的主发酵是较难实现的，由于载体结构及尺寸的原因，只有固定在载体表面的酵母与麦子中的溶氧解除，繁殖旺盛，而包埋于载体内的酵母与氧的接触少，或因酒精在载体

47、内的积累，使酵母繁殖受到抑制，因而酵母对a-氨基氮的同化率低，主发酵完毕的就液存在着游离a-氨基氮和双乙酰含量过高的质量问题，不易解决。泡沫陶瓷是多孔网络状陶瓷材料，其孔径比酵母细胞大得多，而且采用媳妇固定化的方法，吸附于载体表面及多孔网络结构的酵母细胞与麦汁能够充分接触，比较适合应用于啤酒的主发酵。在已完成了固定化酵母细胞制备技术的基础上，对泡沫陶瓷固定化酵母细胞啤酒连续主发酵工艺进行了实验研究，获取优化的工艺条件。第五章 总结及展望5.1总结综上所述，泡沫陶瓷的研究与发展已经受到人们的普遍重视，特别是在冶金、化工、环保、节能、医学、电子等方面的应用越来越广泛，进一步的开发、应用和推广将会给

48、现代工业和现代生活带来极大的经济和社会利益。首先泡沫陶瓷传统的制备方法有发泡法、添加造孔剂法、溶胶-凝胶法和有机泡沫浸渍法四种；新型的制备方法有自蔓延高温合成法和凝胶注模工艺法。各制备方法的特点如下：（1）发泡法通常工艺设备要求较高，操作复杂，所以在目前的技术条件下好难以广泛应用。（2）添加造孔剂该工艺可制成形状复杂及各种气孔结构的泡沫陶瓷制品，但缺点是气孔尺寸分布的可控性差、气孔率低。（3）溶胶-凝胶法作为一种比较先进的陶瓷材料制备方法，在粉体、薄膜以及块体材料的制备中，已经得到广泛应用。（4）有机泡沫浸渍法该方法通过控制料浆的性能，优化无机粘结剂体系，严格控制浆料浸渍工艺过程，可制备出高性

49、能的泡沫陶瓷制品，是目前泡沫陶瓷最理想的制备方法。用这种成型方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域获得大量应用。 （5）自蔓延高温合成法是因为自蔓延反应速度很快，在如此短的反应时间内使产物打到完全烧结是比较困难的，自蔓延反应后的产物可以附加一个烧结进程，以进一步提高产物的强度。（6）凝胶注模工艺法由于氧气对自由基聚合反应有阻隔作用，所以，凝胶注凝工艺必须在隔绝空气的环境下完成，相应地对设备要求较高。其次本文总结了泡沫陶瓷的主要方面有：用作导电泡沫陶瓷器、用作泡沫陶瓷过滤煤气、用作地下汽车通道声环境、环境污染治理中的应用、用作新型声屏障材料和用作固定化酵母细胞啤酒连续主发酵工艺等。5.2展望泡沫陶瓷作为

50、一种新兴的陶瓷种类，以其较低的制造成本、操作简单的制备工艺、良好的机械性能受到了广泛的关注和应用，国际上很多国家都加入到泡沫陶瓷的研制中。我国与国外泡沫陶瓷产品相比还存在着一定的差距，有不少问题需要进一步解决，如研究陶瓷的材质，更好的提高泡沫陶瓷的性能。使之既符合耐急冷急热的性能要求，而又具有较高的使用温度，使它不但能用于低温熔化的铝合金过滤，也可以用于钢铁等高温熔融金属的过滤；提高泡沫陶瓷的强度，防止产生陶瓷粒掉渣现象发生；改进制造工艺，使泡沫陶瓷的制备完成大型化、一体化，最大幅度的降低成本增强市场竞争力。致 谢 光阴似箭，转眼间两年半的我的大学学习生活即将结束，回首这段时光，受益匪浅，感想

51、颇多。 今天，我的学位论文能够顺利完成。首先要感谢我的指导师李老师。从论文的选题、开题、资料收集、指导到论文定稿，无不倾注了李老师大量的心血和汗水。在将近2个月的学习生活中，李老师给予鼓励和帮助，使我得以顺利完成学业，并且在李老师辛勤的培育下，我增长了才干。开阔了眼界，逐步走向成熟，为适应新的学业和工作做好了准备。在此谨向李老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。 同时，论文工作整个过程中，我的同班同学在学习和生活中给予了我许多鼓励和支持，使我得以专心学习，取得今天的成绩。 感谢常州工程职业技术学院的领导及各位老师，感谢你们在我大学学习阶段给予我的关心与帮助。 在此，谨向上述老师以及所有关心和支持我的

52、朋发、同学表示衷心的感谢和诚挚的敬意。 最后感谢各位专家在百忙之中评阅我的论文并参加我的的论文答辩。参考文献1吴庆祝,刘永先.泡沫陶瓷及其应用J.陶瓷,2002,（2）:12-13.2陈哲,单外娥.泡沫陶瓷的研究现状及展望J.十堰职业技术学院学报,2003,（2）:16-54.3董毅峰,王雪瑶.泡沫陶瓷材料制备方法及应用的研究进展J.陶瓷,2007,（7）:50-51.4刘辉,孙伟等.多孔陶瓷材料的应用及发展前景J.矿业工程,2005,（2）:13-17.5吴庆祝,刘永先.泡沫陶瓷及其应用J.陶瓷,2002,（2）:12-14.6R.H Tufftas R.B.Kaplan. Refractory ceramic Foams-A Novel New Hight Teperature Structure.Am.Ceram.Soc.Bulletin,1992.7陈哲,单外峨.泡沫陶瓷的研究现状及展望J.十堪职业技术学院学院,2003,(4):12-13.8段曦东.多孔陶瓷的制备性能及应用J.陶瓷研究,1999,(4):19-22.9史可顺.多孔陶瓷材料的制造工艺及进展硅酸盐通报J,1994,（6）:22-24.10高正亚,史旭莲.多孔陶瓷的制备工艺J.佛山陶瓷,1999,（5）:5-6.11Carn F