一種新型多功能陶瓷泡沫材料的研究進(jìn)展

張?jiān)葡?王保林

(1.廊坊師范學(xué)院 建筑力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院 工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

?

一種新型多功能陶瓷泡沫材料的研究進(jìn)展

張?jiān)葡?,王保林2

(1.廊坊師范學(xué)院 建筑力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院 工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

陶瓷泡沫材料的三維立體網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu),使其具有低密度、低熱導(dǎo)率、高比表面積等優(yōu)良特性，在輕結(jié)構(gòu)、能量吸收和熱能管理方面均有應(yīng)用。首先介紹幾種常用的陶瓷泡沫材料制備工藝技術(shù)，并分析各制備工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。隨后，列舉陶瓷泡沫材料在工業(yè)中的典型應(yīng)用。最后，指出當(dāng)前陶瓷泡沫材料應(yīng)用急需解決的科學(xué)問(wèn)題。

陶瓷泡沫；制備工藝；工業(yè)應(yīng)用；綜述

0 引言

陶瓷泡沫(Ceramic Foam)含有大量的亞結(jié)構(gòu)-胞單元，具有比表面積大、熱導(dǎo)率低、耐熱性能優(yōu)異等特性，這些性質(zhì)引起學(xué)者們極大地關(guān)注。根據(jù)其結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，可將其分為開(kāi)孔泡沫和閉孔泡沫。由固體棱柱組成的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的泡沫體，稱(chēng)為開(kāi)孔泡沫體，如圖1(a)所示[1]。由棱柱和壁面組成的具有空腔結(jié)構(gòu)的泡沫體,稱(chēng)為閉孔泡沫體，如圖1(b)所示[1]。

陶瓷泡沫材料的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代，Schwartzwalder[2]運(yùn)用有機(jī)泡沫浸漬法制備了高孔隙率陶瓷，并將其過(guò)濾熔融金屬，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。陶瓷泡沫產(chǎn)品極大的商業(yè)價(jià)值引起了科技界的重視，各國(guó)陸續(xù)開(kāi)展相關(guān)的研究工作。我國(guó)在陶瓷泡沫方面的研究工作始于20世紀(jì)80年代初，據(jù)報(bào)道，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1982年研制出用于鋁合金過(guò)濾的陶瓷泡沫過(guò)濾器。此后，南昌航空工業(yè)學(xué)院、上海機(jī)械制造工藝研究所等單位先后開(kāi)展了相關(guān)工作。近年來(lái)，陶瓷泡沫材料的應(yīng)用又?jǐn)U展到航空[3]、電子應(yīng)用[4]、熱能管理[5,6]等領(lǐng)域，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

1 陶瓷泡沫材料的制備工藝

陶瓷泡沫材料具有亞結(jié)構(gòu)-胞單元，因此制備陶瓷泡沫材料的關(guān)鍵和難點(diǎn)是形成泡孔，而泡孔的形狀、直徑、分布情況等對(duì)陶瓷泡沫的性能有著重大影響。目前，根據(jù)使用目的和使用需求，人們?cè)趥鹘y(tǒng)工藝基礎(chǔ)上發(fā)展了多種制備陶瓷泡沫材料的工藝。其中比較常用的有：有機(jī)泡沫涂層工藝[7]、添加造孔劑工藝[8]、顆粒堆積工藝[9]、溶膠凝膠工藝[10]、發(fā)泡工藝[11]等。

1.1 有機(jī)泡沫涂層工藝

有機(jī)泡沫涂層工藝，又叫有機(jī)泡沫浸漬工藝，是將制備好的陶瓷漿料均勻涂抹于網(wǎng)狀骨架上，加熱干燥后燒掉有機(jī)泡沫體，從而獲得多孔陶瓷。例如：Yamada等[7]將石膏注入聚氨酯模具上，然后將石膏模具加熱到773K，在加熱的過(guò)程中除去聚氨酯獲得多孔石膏；Nor等[12]利用商業(yè)聚合物泡沫作為模板，將陶瓷漿料注入模板，然后經(jīng)過(guò)干燥燒結(jié)等過(guò)程獲得陶瓷泡沫。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用有機(jī)泡沫浸漬工藝制備的陶瓷泡沫，孔隙率高，孔徑大小可調(diào)，但制品形狀不易控制，有機(jī)物燃燒易污染環(huán)境。其一般工藝流程圖如圖2所示。

1.2 添加造孔劑工藝

該工藝是通過(guò)在陶瓷配料中添加造孔劑(碳粉、氯化鈉、淀粉等)，利用造孔劑在胚體中占據(jù)一定的空間，然后經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)或揮發(fā)，離開(kāi)基體而在陶瓷體中留下空腔。該工藝要求造孔劑在加熱過(guò)程中燒結(jié)或揮發(fā)后在基體中無(wú)殘留物，且不與基體反應(yīng)。Zhao等[8]利用NaCl做為造孔劑制造鋁泡沫，其做法是將鋁顆粒、NaCl顆粒按一定的比率混合，然后以一定的外力壓入網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，然后燒結(jié)。燒結(jié)溫度控制在鋁的融化溫度，但遠(yuǎn)低于NaCl的熔點(diǎn)。當(dāng)鋁顆粒在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中形成很好的連接后，冷卻到室溫，然后將嵌入的NaCl溶解于水中，形成多孔鋁泡沫。此外，淀粉、碳粉等也可作為造孔劑制備陶瓷泡沫材料。該工藝制備的陶瓷泡沫產(chǎn)品氣孔大小可控、形狀可控，且工業(yè)簡(jiǎn)單。不足是孔分布均勻性差，且制備的孔隙率較低。

1.3 顆粒堆積工藝

顆粒體是由大量顆粒堆積而成，顆粒堆積是指粒體在空間的位置狀態(tài)。顆粒堆積工藝是在骨料中加入相同組分的微細(xì)顆粒，利用骨料顆粒堆積、粘結(jié)而形成多孔陶瓷。骨料間的連接可以使用一些添加劑，它們?cè)诟邷叵履苌膳蛎浵禂?shù)與骨料相匹配又能與骨料相浸潤(rùn)的液相，或者依靠添加與其組分相同的微細(xì)顆粒，利用其易于燒結(jié)的特點(diǎn)，在一定溫度下，將大顆粒連接起來(lái)。Zhao等[9]利用顆粒堆積工藝，通過(guò)碳酸鹽燒結(jié)，制備出孔率在50%～85%、孔徑尺寸在53μm～1500μm的多孔陶瓷。多孔陶瓷孔徑的大小依賴于骨料顆粒，骨料顆粒越大，多孔陶瓷的平均孔徑就越大。若骨料顆粒尺寸均勻，則產(chǎn)生的氣孔分布也越均勻。運(yùn)用顆粒堆積工藝制備的多孔陶瓷制品強(qiáng)度高、工藝簡(jiǎn)單，但氣孔率低。

1.4 溶膠凝膠工藝

溶膠凝膠工藝是將金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽作為前驅(qū)體，溶于溶劑中形成均勻的溶液，溶質(zhì)與溶劑產(chǎn)生水解或醇解反應(yīng)，反應(yīng)生成物聚集成幾個(gè)納米的粒子并形成溶膠，利用凝膠化過(guò)程中膠體離子的堆積以及熱處理過(guò)程留下小氣孔，從而形成可控多孔結(jié)構(gòu)。這種方法一般采用無(wú)機(jī)鹽作為先驅(qū)體，將先驅(qū)體水解得到溶膠，膠體離子間相互連接形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)孔大多為納米級(jí)，氣孔分布均勻。通過(guò)該種方法可以制取微孔制品，易于控制氣孔的大小且氣孔分布均勻。但由于制造原料受限制，生產(chǎn)效率低，故該種工藝應(yīng)用較少。該工藝制備陶瓷泡沫產(chǎn)品的流程圖如圖3所示。

隨著互聯(lián)網(wǎng)金融的快速發(fā)展，我國(guó)移動(dòng)支付市場(chǎng)占有率穩(wěn)步增長(zhǎng)并呈現(xiàn)全面發(fā)展的態(tài)勢(shì)。全新的互聯(lián)網(wǎng)金融模式憑借自身強(qiáng)大的信息整合能力以及高效的資金處理方式，在一定程度上撼動(dòng)了傳統(tǒng)商業(yè)銀行在支付結(jié)算及產(chǎn)品代銷(xiāo)渠道的主導(dǎo)地位，給銀行業(yè)務(wù)帶來(lái)了巨大的沖擊并產(chǎn)生了深刻的影響。商業(yè)銀行如何應(yīng)對(duì)移動(dòng)支付影響下的機(jī)遇及挑戰(zhàn)，銀行業(yè)務(wù)如何進(jìn)行創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型，是我國(guó)商業(yè)銀行必須主動(dòng)應(yīng)對(duì)及思考的問(wèn)題。

1.5 發(fā)泡工藝

發(fā)泡工藝是向陶瓷顆粒中添加發(fā)泡劑(有機(jī)或無(wú)機(jī)化學(xué)物質(zhì))，在熱處理期間形成揮發(fā)性氣體，產(chǎn)生氣孔，經(jīng)過(guò)干燥和燒結(jié)制備多孔陶瓷。由發(fā)泡法制備的多孔陶瓷，包括網(wǎng)眼型和泡沫型兩種。該工藝適合制備閉氣孔制品，但工藝條件較難控制。

2 陶瓷泡沫材料的應(yīng)用

陶瓷泡沫材料是一種高孔隙率材料，具有很多優(yōu)點(diǎn)：較大的比表面積、低密度、低熱導(dǎo)率、耐高溫、耐腐蝕等，這些優(yōu)點(diǎn)與其結(jié)構(gòu)和基體有關(guān)。伴隨著對(duì)陶瓷泡沫材料認(rèn)識(shí)的深入，陶瓷泡沫材料的應(yīng)用領(lǐng)域從過(guò)濾、熱工領(lǐng)域擴(kuò)展到吸聲、光電、生物材料、航空等領(lǐng)域。關(guān)于陶瓷泡沫材料在新領(lǐng)域的報(bào)道很多，歸納起來(lái)主要有以下幾種。

2.1 過(guò)濾器

陶瓷泡沫材料早在20世紀(jì)70年代就被作為過(guò)濾器[13]廣泛使用。陶瓷泡沫材料作為過(guò)濾器使用，可以分離出中間相或非金屬雜質(zhì)(如熔渣、廢料等)，提高金屬產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。此外，陶瓷泡沫過(guò)濾器不會(huì)與熔融金屬發(fā)生反應(yīng)，更重要的還可以減輕金屬液體的湍流，延長(zhǎng)上浮時(shí)間，從而更加有效地過(guò)濾掉夾雜物。陶瓷泡沫過(guò)濾器作為一種新型高效過(guò)濾器，引起人們的廣泛關(guān)注。如今其應(yīng)用已擴(kuò)大到鑄造工業(yè)[14]、熔模精密鑄造[15]等方面。在鑄造車(chē)間，通過(guò)降低廢品率和減少返工降低成本，陶瓷泡沫過(guò)濾器的使用大大提高了產(chǎn)品的成本效益。過(guò)濾器的形態(tài)和組成成分影響它們的效率和性能，陶瓷泡沫過(guò)濾器要具有最佳的過(guò)濾性能，需要有合適的尺寸，而尺寸要根據(jù)具體應(yīng)用而定。一般來(lái)講，過(guò)濾器的孔徑尺寸要足夠大以防熔融金屬發(fā)生湍流。

2.2 催化劑載體

陶瓷泡沫體的三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有良好的吸附能力。近年來(lái)，作為催化劑載體引起越來(lái)越多的關(guān)注。由于陶瓷泡沫比表面積大、熱穩(wěn)定性好、耐磨、低密度等特點(diǎn)，將催化劑極大地覆蓋于陶瓷泡沫，當(dāng)反應(yīng)流體通過(guò)陶瓷泡沫通道時(shí)，將大大提高反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化速率，加快催化過(guò)程(包括蒸汽重整過(guò)程[15])。舉例說(shuō)明，催化劑附于陶瓷泡沫催化器上，安裝于排氣管中，可使機(jī)動(dòng)車(chē)輛排出的一氧化碳、一氧化氮有害氣體轉(zhuǎn)化成二氧化碳、氮?dú)獾龋D(zhuǎn)化率高達(dá)90%以上。陶瓷泡沫除了作為催化劑載體外，還可以作為其它功能性載體，如藥劑載體、微晶載體等。

2.3 隔熱材料

Liaw等[16]制備的云母-玻璃陶瓷泡沫，發(fā)現(xiàn)該陶瓷泡沫在溫度1000℃時(shí)表現(xiàn)出極低的熱導(dǎo)率以及輕微的熱膨脹。隔熱材料在航空航天領(lǐng)域同樣發(fā)揮著作用，其中典型代表為導(dǎo)彈及各種航天器的熱防護(hù)夾芯材料。Fesmire等[17]研究了運(yùn)載火箭低溫坦克外的噴霧泡沫隔熱材料，該隔熱材料可以保護(hù)坦克免受外界熱環(huán)境的干擾。此外，美國(guó)航天飛機(jī)外層的絕熱瓦[18]就是由陶瓷泡沫材料構(gòu)成，它由一種低密度、純度為99.8%的SiO2非晶纖維絕熱層制成。孔隙率高達(dá)90%。該絕熱瓦的隔熱功能及熱穩(wěn)定性非常好。實(shí)驗(yàn)表明，從1260℃加熱爐中取出絕熱瓦，然后放入冷水中，絕熱瓦仍可保持完好。

2.4 生物材料

由于陶瓷泡沫材料無(wú)毒副作用、生物相容性好、理化性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而被用于制作生物材料。當(dāng)用于修補(bǔ)骨缺損部位時(shí)，新生物將逐漸填充多孔珊瑚狀孔隙，慢慢將多孔陶瓷吸收。最終，新生骨制質(zhì)將取代多孔陶瓷。與傳統(tǒng)生物陶瓷相比較，生物體內(nèi)不會(huì)殘留任何異物，因而不易感染。國(guó)外利用多孔生物陶瓷技術(shù)修復(fù)大腿骨，人造齒根，頭蓋骨等，臨床試驗(yàn)均已獲得成功。

3 問(wèn)題與展望

根據(jù)具體的工程應(yīng)用，選擇恰當(dāng)?shù)脑虾凸に嚕行У卣{(diào)控產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高產(chǎn)品的性能。陶瓷泡沫作為一種新型功能材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能使其在機(jī)械、熱工、醫(yī)學(xué)、航天等領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。從目前的研究現(xiàn)狀看，陶瓷泡沫的研究工作還有許多有待發(fā)展的地方，歸納如下。

(1)陶瓷泡沫材料在制備工程中，可能存在泡棱或泡壁缺省等缺陷。缺陷的存在將極大地影響陶瓷泡沫的力學(xué)性能，這方面的研究工作有待開(kāi)展。

(2)陶瓷泡沫材料的應(yīng)用主要局限于過(guò)濾、催化等方面，今后應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于結(jié)構(gòu)效應(yīng)、納米尺寸效應(yīng)等相關(guān)的應(yīng)用，拓寬陶瓷泡沫材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

(3)陶瓷泡沫材料具有較低的熱導(dǎo)率，為此常被作為隔熱材料應(yīng)用于工程中。但陶瓷是脆性材料，故需要加深熱沖擊對(duì)陶瓷泡沫材料影響方面的研究。

(4)陶瓷泡沫材料具有吸聲功能，目前正有學(xué)者研究將陶瓷泡沫作為一種降音隔聲屏障用于地鐵、隧道等較高噪音的地方。為了更好地應(yīng)用，聲波在陶瓷泡沫材料中的傳播和吸收理論有待開(kāi)展。

陶瓷泡沫材料具有多方面優(yōu)越的性能，因此，發(fā)展結(jié)構(gòu)可控的制備工藝，加深理論方面的研究，促進(jìn)陶瓷泡沫材料更好的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將是今后研究的首要課題。

[1] 張俊彥.多孔材料的力學(xué)性能及破壞機(jī)理[D].湘潭:湘潭大學(xué),2003.

[2] Schwartzwalder K et al. Method of making porous ceramic articles[P].United States: 3090094,1963.

[3] Smith B H,Szyniszewski S,Hajjar J F,et al. Steel foam for structures: a review of applications,manufacturing and material properties[J].J Constr Steel Res,2012,71(1):1-10.

[4] Ma P,Zhang F, Gao Z,et al. Transverse impact behaviors of glass warp-knitted fabric/foam sandwich composites through carbon nanotubes incorporation[J].Compos:Part B,2014,(56):847-856.

[5] Xu Z,Lu Y,Xie Y C.Hydrodynamic and heat and mass transfer performances of novel ceramic foam packing to humidification tower[J].Appl Therm Eng,2015,(87):707-713.

[6] Geng H,Liu J,Guo A,et al.Fabrication of heat-resistant syntactic foams through binding hollow glass microspheres with phosphate adhesive[J].Materials & Design,2016,(95):32-38.

[7] Yamada Y,Shimojima K, Sakaguchi Y,et al.Compressive properties of open-cellular SG91A Al and AZ91 Mg[J].Mat Sci Eng A,1999,272(2):455-458.

[8] Zhao Y Y.Stochastic modelling of removability of NaCl in sintering and dissolution process to produce Al foams[J].J Porous Mat,2003,10(2):105-111.

[9] Zhao Y Y,Fung T,Zhang L P,et al.Lost carbonate sintering process for manufacturing metal foams[J].Scripta Mater,2005,52(4):295-298.

[10] Deng X G,Wang J K,Liu J H,et al.Preparation and characterization of porous mullite ceramics via foam-gelcasting[J].Ceram Int,2015,41(7):9009-9017.

[11] Tang B S,Lin J,Qian S,et al.Preparation of glass-ceramic foams from the municipal solid waste slag produced by plasma gasification process[J].Mater Lett,2014,128(10):68-70.

[12] Elasyed H,Zocca A,Bernardo E,et al.Development of bioactive silicate-based glass-ceramics from preceramic polymer and fillers[J].J Eur Ceram Soc,2015,35(2):731-739.

[13] Vanhaecke E,Pham-huu C, Edouard D.Simulation and experimental measurement of dynamic behavior of solid foam filter for diesel exhaust gas[J].Catal Today,2012,189(1):101-110.

[14] Nacken M, Ma L,Heidenreich S,et al.Development of a catalytic ceramic foam for efficient tar reforming of a catalytic filter for hot gas cleaning of biomass-derived syngas[J].Appl Catal B: Environ,2012,125(3):111-119.

[15] Schmahl J R,Aubrey L S.用陶瓷泡沫過(guò)濾器減少球鐵和灰鐵中的夾雜物[J].現(xiàn)代鑄鐵.2006,26(2):38-45.

[16] Gao N B,Liu S,Han Y,et al.Steam reforming of biomass tar for hydrogen production over NiO/ceramic foam catalyst[J].Int J Hydrogen Energ,2015,40(25):7983-7990.

[17] Liaw D W,Tsai C Y,Wei W C J.Thermal insulation of muscovite/glass ceramic foam for solid oxide fuel cell[J].J Powder Sources,2011,196(19):8012-8018.

[18] Fesmire J E,Coffman B E,Meneghelli B J,et al.Spray-on foam insulations for launch vehicle cryogenic tanks[J].Cryogenics,2012,52(4-6):251-261.

[19] Lu W Y,Antoun B R,Korellis J S,et al.Material characterization of shuttle thermal protection system for impact analyses[J].J Spacecraft Rockets,2005,(42):795-803.

Development of A New Multifunction Ceramic Foams

ZHANGYun-xia1,WANGBao-lin2

(1.MechanicsLaboratory,LangfangTeachersUniversity,Langfang065000,China；2.EngineeringMechanicsLaboratory,GraduateSchoolatShenzhen,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Ceramic foams with three-dimensional network structure exhibit superior properties, such as low density, low thermal conductivity and high surface area. They have numerous applications, including in light structure, energy absorption and thermal energy management. This paper first introduces several fabrication techniques for the ceramic foams and analyses merits and drawbacks of each technique. Then, some typical applications of ceramic foams are listed. Finally, critical scientific issues which are urgently required to solve are given.

ceramic foam; fabrication technique; industrial application; review

2017-03-16

廊坊市科技局項(xiàng)目(2016011044);廊坊師范學(xué)院博士基金(201601)

張?jiān)葡?1983-),女，博士，廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院講師，研究方向：隔熱材料、斷裂。

O343.6

A

1674-3229(2017)02-0069-04