多孔陶瓷材料的應用及發展前景

舒歡

摘要：多孔陶瓷（Porous ceramics）是一種具有開孔孔徑的陶瓷材料，且因具有其開口氣孔率高的特性，使其獲得了耐高溫、高壓、酸堿腐蝕;良好的生物惰性;優秀的再生性能等優點。被廣泛運用于各行各業。本文首先簡單敘述了多孔陶瓷本身的特點及性能，之后重點闡述了目前多孔陶瓷在多領域多行業中的運用，最后再敘述了多孔陶瓷在以后的進步方向與應用空間。

關鍵詞：多孔陶瓷;應用前景;無機非金屬材料

引言

隨著科技水平與經濟的不斷發展增長，環境與資源對發展不斷提出新的要求，許許多多的新材料為順應這一潮流逐漸被研發制備，并廣泛運用于各個領域當中。多孔陶瓷正是其中一員。常見的多孔陶瓷是由氧化鋁、堇青石（硅酸鹽礦物）、碳化硅等原料制成的，通過許多復雜的成型步驟與高溫燒結工藝進行制備。其重要特征是內部擁有許多或連通或獨立的氣孔。因為多孔陶瓷本身具有出色的物理及化學特性，目前在環保、化工、冶煉、食品、建筑、生物醫療等多個領域都備受追捧。

一、多孔陶瓷的特性

（1）氣孔率：多孔陶瓷最大的一個特征就是在內部含有許多的氣孔，且這些氣孔的大小都是均勻可控的。通過判斷其內部氣孔是否與外界大氣想通，一般可分為開口氣孔與閉口氣孔。此兩種氣孔也具不同的特性與各自的優勢。開口氣孔可以對氣體、液體進行過濾，對其中雜質吸收，同時還可以消除回聲;而閉口氣孔能夠阻隔熱量、降低聲音及固體微粒傳播。

（2）強度高：金屬氧化物、二氧化硅、碳化硅等是常見多孔陶瓷的主要原料，較高的強度是這些材料的共有特征。原材料的顆粒在高溫煅燒過程中發生熔化，邊界處相互粘結，強度更高的多孔陶瓷由此形成。同時，經過大量研究實驗表明，多孔陶瓷的強度與其本身氣孔率有關，氣孔孔徑增大或數量增多，都會使材料的抗壓強度與彎曲強度下降。

（3）物理與化學性能穩定。多孔陶瓷具有良好的耐酸堿、耐腐蝕性能、在高溫高壓下也能保證一定的強度，同時自身潔凈易回收，不會造成二次污染。

（4）過濾精度高。多孔陶瓷材料因其孔徑分布范圍較窄，氣孔率可控，比表面積較大。被過濾的液體或氣體在與多孔陶瓷接觸時，其中的懸浮物、絮狀物、膠狀物與微生物等，皆可以被多孔陶瓷表面或內部的孔狀結構阻攔。此外，在長時間使用導致多孔陶瓷過濾能力下降時，可使用特定的氣體或液體對多孔陶瓷進行沖洗清潔，就會使其過濾能力有所恢復，再生性極佳。

二、多孔陶瓷的應用

（1）過濾材料。鑒于其內部結構的孔隙特征，板狀與管狀的多孔陶瓷制品被廣泛應用于水的凈化、油類的分離過濾。由于其穩定的物理化學特性，也被用于有機溶液、酸堿溶液以及甲烷、乙炔等液體氣體的分離。多孔陶瓷材料同時具有過濾效率高和可濾種類多的優點。在腐蝕性流體、高溫流體等應用領域，多孔陶瓷風頭正盛。

（2）吸音降噪的應用。吸音的原理一般是聲波引起的空氣壓力在遇到消音材料時發生了分散。而多孔陶瓷的孔隙結果恰好可以做到這一點。通過控制孔徑大小（20～150μm）與氣孔率（60%以上）制成的高強度多孔陶瓷材料，即可滿足消音要求。目前，高層建筑、隧道、影院、體育場等對隔音及防火要求高的場所建設中，都可以見到多孔陶瓷的身影。

（3）催化劑的載體。催化劑載體一般需要能增大催化劑與反應物的接觸面積，同時不與催化劑或反應物或反應產物產生物理化學變化。而具有多孔結構，比表面積大，且物理化學性質穩定的多孔陶瓷材料恰好符合這一點。

（4）隔熱材料。陶瓷本身的導熱率就很低，傳統陶瓷也常會被用作隔熱耐溫材料。而多孔陶瓷因內部充滿氣體，其隔熱性能得到了進一步的增強。其密度、熱傳導系數、體積熱容也更小。同時其熱阻偏大。目前，傳統氣爐與高溫電爐中已大規模使用多孔陶瓷作為隔熱材料，耐溫可達1600℃。在航空航天領域，如長征系列、神舟系列火箭上，都可以看到由多孔陶瓷與其他金屬隔熱材料組成的隔熱層。

（5）隔膜材料。多孔陶瓷有用較大的比表面積，能與液體和氣體的充分接觸，這也意味著它的槽電壓相較于無孔隙結構的其他材料要低。因此，電解隔膜材料常常會選用多孔陶瓷，可以起到降低電解槽電壓，促進電解效率，節約成本的作用。多孔陶瓷制成的隔膜在各種電池，包括新型電池（光化學電池等）中都可以見到。

（6）作為傳感元件。在介質中放入微孔陶瓷，其中的氣體或液體會被多孔結構所吸附或與其中攜帶的物質產生反應，這樣一來，微孔陶瓷的電阻將發生變化，這意味著其電信號也發生了改變。根據電信號的變化可以感知出介質成分或變化情況。多孔陶瓷作為傳感元件具有耐高溫、耐酸堿、制造簡單、測試精準度高等優點。

（7）生物材料。有多孔陶瓷為原料制造的生物植入體，在保證無毒副作用的同時，還具有更好的生物相容性，物理化學性能更加穩定，更不易產生排異反應。在臨床醫療領域，多孔生物陶瓷在手術結束后的空腔恢復、血管生成、骨質修復等方面都發揮著重大作用。同時，其內部的多孔空間也可以用來搭載藥物，方便實現長期持續的治療方案。

三、多孔陶瓷的發展前景

未來，由于經濟發展與科技發展的必然趨勢，越來越多的新興材料將克服其制備困難，成本偏高的缺點，充分發揮著其獨有的優勢特點走進各行各業與人們的生活。多孔陶瓷在保留著陶瓷本身特點的同時，以其內部多孔性特征，在新材料領域有了一席之地，并逐漸成為各個領域的寵兒。

如今，許多高精尖行業也開始認識到多孔陶瓷的優越性并將其投入使用。比如，在天線罩制造領域中，國內對多孔陶瓷的開發已取得重要突破。

不僅如此，傳統行業也對多孔陶瓷進行了深入研究與應用：在礦石冶金領域的推廣使用;在新能源制備中的重要作用。總而言之，新應用領域的不斷過大，傳統應用領域的不斷深化，這都彰顯著多孔陶瓷無比巨大的發展前景。

結束語

時代在進步，科技在發展，傳統領域想在新時代發光發熱，做出貢獻，就必須緊跟潮流，開拓創新。陶瓷作為傳統無機非金屬領域中的一員，其應用歷史與研究成果都十分豐富。而多孔陶瓷，正是其創新發展，煥發新生的代表。新技術新設備的出現也使得多孔陶瓷的制備手段更加多種多樣，更加高效環保。進一步的研究、普及、應用多孔陶瓷，毫無疑問能夠獲得巨大的經濟效益與社會效益。

參考文獻

[1]何江鋒，張海軍，葛勝濤，劉杰，吳文浩，張少偉.SiC多孔陶瓷制備方法研究進展[J].耐火材料，2020，54（02）：163-171.

[2]周愛萍，魏春成，李培江，張帥，張忠亞，馬雪飛.多孔陶瓷的性能及其應用[J].陶瓷，2020（03）：9-13.

[3]張文毓.泡沫陶瓷的研究現狀與應用進展[J].陶瓷，2019（11）：9-14.