對多孔陶瓷材料分析

張浩智,王　嬌（遼寧省輕工科學(xué)研究院,沈陽110036）

對多孔陶瓷材料分析

張浩智,王嬌
（遼寧省輕工科學(xué)研究院,沈陽110036）

多孔陶瓷又稱為多氣孔功能陶瓷,是指具有一定尺寸和數(shù)量的孔隙結(jié)構(gòu)的新型陶瓷材料。其應(yīng)用廣泛，在工業(yè)產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著巨大作用。本文首先對多孔陶瓷材料進行分析概述，其次詳細(xì)探討了多孔陶瓷材料的制備，以期對多孔陶瓷材料的研究有所幫助。

多孔陶瓷材料；制備；工藝

1　對多孔陶瓷材料分析

多孔陶瓷，顧名思義是其內(nèi)部由大量孔道交錯連接，外表與里層結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)的無機鹽材料，多數(shù)是在高溫高壓下反應(yīng)而成。根據(jù)孔道不同的形狀將其分為三種：①蜂窩陶瓷②粒狀陶瓷③泡沫陶瓷。基于陶瓷材料較多的孔道，且相互聯(lián)通，導(dǎo)致其孔隙率較大，孔體積較大，較大的比表面積，再加上無機鹽較高的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的化學(xué)與物理特性，使多孔無機鹽的應(yīng)用特別廣泛，常見的有催化劑載體、流體過濾裝置、分離裝置、吸附劑、人工制造器官等，尤其是耐火材料、傳感器裝置。所以，多孔材料是當(dāng)今的明星材料，科學(xué)家將目光集中于此，筆者綜合分析了近年來多孔陶瓷的研究情況。

2　多孔陶瓷材料的制備

2.1擠壓成型法

多孔陶瓷的制備方式主要是擠壓成型法，顧名思義，是借助于壓力機強大的壓力，致使材料發(fā)生變形，壓成理想中的樣子，這種擠壓方法可分為冷擠壓、熱擠壓，其工藝過程很簡單，先制備好有蜂窩結(jié)構(gòu)的模型，然后使合成的無機鹽泥條在壓力的推動下穿過模型，在高溫下燒結(jié)幾個小時，就制備出了蜂窩陶瓷。舉個實例，汽車上普遍安裝的尾氣凈化裝置，就是蜂窩狀陶瓷，其制備流程就是合格的泥條在壓力推動下穿過蜂窩狀模型，再高溫?zé)Y(jié)，得到多孔結(jié)構(gòu)。如今，我們國家燒結(jié)陶瓷的技術(shù)已非常先進，最高蜂窩孔隙可達每2.54cm×2.54cm面積有400個孔道，具體過程就是原料制備、制備模型、擠壓過程、高溫?zé)Y(jié)、成品。其方法比較簡單，孔徑大小可以隨意調(diào)節(jié)，形狀可控，不過不好制備內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的材料，對于泥條的韌性要求也很高。

2.2顆粒堆積成孔工藝法

該方法的核心技術(shù)是在原材料中添加成分一致的細(xì)小粒子，借助于其特殊的化學(xué)性質(zhì)，液化溫度不高，且易燒結(jié)，從而產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)。孔道直徑與顆粒直徑一致，成正比。也就是說顆粒的大小就是產(chǎn)生孔道的大小，顆粒在原材料中分布的是否勻稱，也反應(yīng)出孔道是否勻稱。此外，影響內(nèi)部結(jié)構(gòu)的因素還有燒結(jié)溫度，助劑的性質(zhì)和加入量，比如稀土氧化物氧化釔，其優(yōu)良的化學(xué)性質(zhì)使其成為合成氮化硅陶瓷最佳的添加劑，有利于更合理地分布孔道位置，且孔隙率也很高，也可添加特殊物質(zhì)提高孔隙率，該類型陶瓷孔隙率基本處于25%左右。如果溫度允許的話，可添加特殊的造孔劑，如生物大分子、碎木屑、活性炭材料，高溫高壓環(huán)境中氣化助劑，孔隙率最高可達75%，該技術(shù)操作簡單，孔道大小可控，不過就是氣孔率不高。

2.3添加造孔劑工藝法

雖然說通過改變燒結(jié)溫度及保持時間能人為地調(diào)節(jié)陶瓷強度及孔隙率，但也不是很方便調(diào)節(jié)，以上兩種技術(shù)都存在缺陷，若是燒結(jié)溫度不夠高，陶瓷強度就不強，若是溫度過高，可能導(dǎo)致孔道密封，不過新型技術(shù)—添加造孔劑能夠解決這一難題。主要利用特殊的具有一定體積的造孔劑，使其均勻分散在原材料中，燒結(jié)后造孔劑氣化揮發(fā)，留下分散均勻的孔洞。其主要優(yōu)點就是可根據(jù)人的思想制造出所需要的陶瓷材料，況且整個制備過程都很簡單明了，對于孔徑的大小、形狀及分布都能隨意安排，特別適用于催化劑載體方面。該核心技術(shù)是選擇好適宜的助劑，主要有無機物和有機物兩種，性質(zhì)很重要，再者是助劑的粒徑，微米級還是納米級。無機物常見的是碳酸鹽，兩性物質(zhì)和活性炭材料，有機物常見的是天然大分子、高分子材料、有機酸等，分子量多數(shù)達幾千。其壓制技術(shù)主要有五種：擠壓、注射、澆注、模壓和等靜壓。

2.4冷凍干燥工藝法

該技術(shù)又叫真空冷凍干燥，其核心技術(shù)就是利用真空冷凍先將原材料冷凍，低溫環(huán)境下原材料中的液態(tài)水會冷凝成冰，繼續(xù)抽真空，升高溫度使固態(tài)冰升華為氣態(tài)水而跑出去，所以就得到多孔的陶瓷。該方法在200年前由一名英國人提出，經(jīng)過長時間的應(yīng)用，還是很有效的。曾有人利用此方法制備出多孔結(jié)構(gòu)的材料，不但有宏觀孔隙還有微觀孔隙，該技術(shù)不會產(chǎn)生有害氣體，不會遺留固體殘渣。實際生產(chǎn)中，也可以將包含陶瓷顆粒的液體低溫保存，有利于液態(tài)水變?yōu)楣虘B(tài)冰，固態(tài)冰的晶格促使顆粒順著其晶體方向延伸，利于產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)，真空干燥后固態(tài)冰升華跑出去，剩下均勻排列的微觀孔隙，進而制備的陶瓷內(nèi)部含有豐富的孔道。這種方法屬于環(huán)境友好型技術(shù)，綠色，操作簡單。

2.5多孔陶瓷水熱-熱靜壓工藝法

該技術(shù)的生產(chǎn)過程是攪拌混勻適量的原材料與水的混合體，轉(zhuǎn)移至不銹鋼反應(yīng)釜中，然后加熱到一定溫度，高溫高壓環(huán)境下水分全部揮發(fā)帶出，從而產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)。主要借助于水的壓力來產(chǎn)生多孔。近年來日本學(xué)者曾利用此技術(shù)制得高質(zhì)量高強度多孔陶瓷，他是將硅凝膠與水混合均勻，一并放入反應(yīng)釜中，高溫高壓下帶有水蒸氣，壓力為10個大氣壓，時間約為3小時，其產(chǎn)生的孔徑處于納米級，約為40nm，抗壓強度很強，孔隙率很高，此技術(shù)實際應(yīng)用方面很廣泛，陶瓷性能也很優(yōu)越，不過需要高溫高壓環(huán)境、耗能量比較大、不節(jié)能、投資多，不符合節(jié)能環(huán)保理念。

3　小結(jié)

國內(nèi)制備多孔陶瓷的技術(shù)已較為成熟，越來越受到科研學(xué)者的廣泛關(guān)注，制品的應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是最近亟待解決的環(huán)保問題，其關(guān)乎我們的生存環(huán)境和國家的穩(wěn)定發(fā)展，所以要加大對多孔陶瓷的研究，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，使其造福人類。

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