多孔陶瓷的制備方法、性能表征和建筑節能領域的應用

黃立斌 梁婉興 徐曉燕

（廣州質量監督檢測研究院）

多孔陶瓷的制備方法、性能表征和建筑節能領域的應用

黃立斌 梁婉興 徐曉燕

（廣州質量監督檢測研究院）

多孔陶瓷不僅具有傳統陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高化學穩定性等優點，還有較低的導熱能力，具有良好的保溫特性。本文介紹了多孔陶瓷的主要制備方法、性能表征和在建筑節能領域的應用。

多孔陶瓷；建筑節能；保溫

1 前言

多孔陶瓷發展始于19世紀70年代，是一種內部含有大量不同尺寸和形態孔洞的無機材料。它是由各種顆粒料與結合劑組成的坯料，經過成型、燒成等許多復雜的工藝制得的。多孔陶瓷不僅具有傳統陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高化學穩定性等優點，因其具有大量的氣孔，比表面積大，密度低，可調的孔徑分布已經被廣泛應用于航空航天、能源、機械、冶金、化工、環保、軍工、電子、生物和醫學等多個科學領域。由于其應用范圍廣而引起科學界極大的關注。多孔陶瓷根據氣孔尺寸可分為微孔材料（＜2nm），介孔材料（2～50nm），宏孔材料（＞50nm），其氣孔率最大可達90%［1］。

2 多孔陶瓷的制備方法

2.1 有機泡沫浸漬工藝

有機泡沫浸漬工藝是用有機泡沫浸漬陶瓷料漿，干燥后燒掉有機泡沫，從而使陶瓷產生孔洞。有機泡沫體具有開孔三維網狀骨架的特殊結構。因此燒掉有機泡沫后獲得的孔隙是網眼型的。該法適于制備高氣孔率、開口氣孔的多孔陶瓷。有機泡沫材料的孔徑大小和漿料在其上的覆厚度［2］對最后制品的孔徑尺寸起著決定性的作用。

2.2 發泡工藝

發泡工藝是在1973年被Sundermann等［3］發明。原理是在陶瓷組分中加入有機物或無機質，在燒成階段該物質會通過化學反應產生氣體，從而形成孔洞，制成多孔陶瓷。該法特別適用于制備閉氣孔的陶瓷材料。發泡法可以更好地控制氣孔的尺寸和形狀，使制品具有更好的可控性。

2.3 添加造孔劑工藝

在陶瓷配料中加入造孔劑，造孔劑在坯體中占據一定的空間。在燒成階段，造孔劑受到高溫的作用形成氣體揮發而在制品中留下氣孔。與傳統的陶瓷工藝相比，此工藝只是在陶瓷配料中多加入造孔劑，制造工藝沒有很大改變，適用于低成本的企業選用。造孔劑種類和加入量［4］對多孔陶瓷的孔徑分布和氣孔率起著決定性的作用。

2.4 溶膠-凝膠工藝

溶膠-凝膠工藝主要利用凝膠化過程中膠體粒子的堆積以及凝膠處理、熱處理等過程中留下小氣孔，形成可控多孔結構。這種方法大多數產生納米級氣孔，多用來生產微孔陶瓷。但此法采用大量的有機物，成本高，產量低［5］，不利于工業化大規模的生產。

2.5 顆粒堆積工藝

憑借骨料顆粒按一定堆積方式可以形成的顆粒空隙。在燒結過程中，粘合劑在高溫下產生液相，使陶瓷顆粒相互接觸的部分被燒結在一起，顆粒間的空隙形成相互貫通的微孔。通過控制骨料的粒徑和粒徑分布，便可以獲得孔徑為0.1～600μm的微孔陶瓷。骨料顆粒的形狀、粒徑、粒徑分布、各種添加劑的含量和燒成制度［6］對微孔體的孔徑分布和孔徑大小有直接影響。

2.6 新型制備工藝

多孔陶瓷要適應人們更高的要求，制備工藝就必須不斷地創新和發展。因此，出現了冷凍干燥工藝、梯度構造工藝、生物形態多孔陶瓷［7］等新型的制備工藝。其中，生物形態多孔陶瓷制備工藝的原理是利用生物材料為模板制備獨具特殊孔隙結構的遺態材料，再利用遺態材料制成多孔材料。生物材料具有多樣性，多維多層次孔隙結構。而由該工藝制得的多孔材料也具有結構多樣性，發展潛力大。

3 多孔陶瓷的性能表征

3.1 氣孔率

多孔陶瓷的重要特征是具有較多的均勻可控的氣孔。氣孔有開口氣孔和閉口氣孔之分，顯氣孔率［8］是指開口氣孔（指與大氣相通的氣孔）的體積與試樣總體積的百分率。開口氣孔具有過濾、吸收、吸附、消除回聲等作用，而閉口氣孔則有利于阻隔熱量、聲音以及液體與固體微粒傳遞。

3.2 孔徑和孔徑分布

孔徑和孔徑分布是多孔陶瓷一個極其重要的性質，孔徑的大小和分布直接影響到其他一系列的性能。因此在選擇多孔陶瓷時，孔徑的大小和分布是必須要考慮的一個重要因素。測定多孔陶瓷孔徑和孔徑分布的方法有顯微法、蒸汽滲透法和氣體泡壓法［9］等。隨著孔徑的減小，氣孔中的對流傳熱會降低，能起到更好的隔熱效果［10］。

3.3 力學性能

應用多孔材料時大多要求滿足一定的力學性能，這些力學性能參數主要包括抗壓強度、抗彎強度［11］。多孔陶瓷材料一般由金屬氧化物、二氧化硅、碳化硅等經過高溫煅燒而成，這些材料本身具有較高的強度，煅燒過程中原料顆粒邊界部分發生融化而粘結，形成了具有較高強度的陶瓷。但由于氣孔的存在會明顯降低陶瓷的力學性能。氣孔的分布、氣孔大小、氣孔率都會對力學性能產生影響，隨著氣孔率的增加，多孔陶瓷的力學性能會急劇下降。

3.4 隔熱性能

多孔質隔熱材料有效熱導率公式［12］為：Ke=（1-P）Ks+PKg+4dσT3。根據公式可以看出，隨著氣孔率的增加，氣孔的尺寸的減少，材料導熱能力越差，隔熱性能越好。但隨著孔隙率的增加，陶瓷力學性能會急劇的下降。因此在選擇多孔陶瓷時，必須考慮兩者的平衡，達到最好的效果。

4 多孔陶瓷在建筑節能領域的應用

建筑物隔熱保溫是節約能源、改善居住環境和使用功能的一個重要方面。建筑能耗在人類整個能源消耗中所占比例在30%～40%，絕大部分是采暖和空調的能耗，故建筑節能意義重大。多孔陶瓷導熱系數低，能夠非常有效地減少熱量的散失，并且耐久性好，與水泥砂漿、混凝土等相容性好，吸水率低，耐候性好，施工工序少［13］。因此多孔陶瓷是一種良好的建筑節能材料。

由于閉孔能夠很好地阻礙氣體間的對流換熱，使得材料的傳熱更加困難。在相同氣孔率的情況下，閉孔型多孔陶瓷的導熱系數比開孔型小。因此，發泡工藝作為有效的閉孔型多孔陶瓷的制備方法被廣泛用于建筑節能保溫多孔陶瓷的生產。因此在建筑節能領域，科學家們主要是針對發泡工藝進行研究。

多孔陶瓷的氣孔率已經相當高，增大氣孔率對多孔陶瓷的節能性能已經影響不大。研究重點更多的是關注在生產方面。在原料方面，由于國家的礦產等資源的日漸減少，陶瓷原料的不斷減少，造成了陶瓷成本的大大增加。如馬龍等人［14］對采用工業廢渣赤泥生產發泡陶瓷進行了試驗。在孔徑尺寸和分布方面，目前對孔徑尺寸和分布的控制主要手段有兩個：一是通過選擇不同的發泡劑或者改變發泡劑的加入量進行控制。吳麗娜等人［15］對發泡劑的種類和特性進行全面的分類和歸納；二是通過改進生產工藝，對整個生產工藝實現更精密的控制，減低生產過程中的不確定性。

5 結語

多孔陶瓷的傳統制備方法已經較為成熟，新方法也在不斷拓展，為其技術發展奠定重要基礎，其性能表征也已經面面俱到。這對其性能提供專業的評價。但在建筑領域，科研技術轉化為生產的比率較低，生產工藝單一。未來需要以科研技術作為基礎，加大生產能力的投入，這樣才能讓人們體會到多孔陶瓷帶給生活的改變。●

［1］王圣威，金宗哲，黃麗容.多孔陶瓷材料的制備及應用研究進展［J］.硅酸鹽通報，2006，25（4）:124-129.

［2］時利民，趙宏生，閆迎輝，唐春和.開孔多孔陶瓷的制備技術［J］.材料工程，2005，12:57-61.

［3］Sundermann E，Viedt J.Method of manufacturing ceramic foam bodies［J］.US Pat，No.3745201，1973-07-10.

［4］朱小龍，蘇雪筠.多孔陶瓷材料［J］.中國陶瓷，2000，36（4）: 36-39.

［5］張智慧，李楠.多孔陶瓷材料制備方法 ［J］.材料導報，2003，17（7）:30-31.

［6］朱新文，江東亮，譚壽洪.多孔陶瓷的制備、性能及應用:（Ⅰ）多孔陶瓷的制造工藝［J］.陶瓷學報，2003，24（1）:40-45.

［7］賀辛亥，王俊勃，蘇曉磊，秦輝，楊敏鴿，申明乾.生物形態多孔陶瓷的研究進展［J］.硅酸鹽通報，2011，30（1）:105-110.

［8］羅民華，曾令可.多孔陶瓷的表征和性能測試技術（下）［J］.佛山陶瓷，2004，2:3-6.

［9］羅民華，曾令可.多孔陶瓷的表征和性能測試技術（上）［J］.佛山陶瓷，2004，1:5-9.

［10］吳朝齊.隔熱保溫多孔陶瓷材料性能研究［D］.上海：華東理工大學，2012，1-54.

［11］梁永仁，張露，崔樹茂，楊志懋，丁秉鈞.多孔材料表征與性能測試［J］.材料導報網刊，2006，2:56-59.

［12］羅森諾W M.傳熱學基礎手冊 ［M］.科學出版社，1992.304-341.

［13］邵國新，吳志，張源.發泡陶瓷保溫板外保溫系統建筑應用與質量控制［J］.建筑節能，2010，11:57-61.

［14］馬龍，李國忠，姜蔥蔥.用赤泥生產發泡陶瓷保溫材料的試驗室初探［J］.建筑砌塊與砌塊建筑，2013，1:45-47.

［15］吳麗娜，黃玉東，王志江，劉麗.發泡工藝制備多孔陶瓷研究進展［J］.中國陶瓷，2010，46（3）:5-8.