多孔陶瓷的制備方法及研究現狀

袁 綺，譚 劃,3，楊廷旺，陸文龍，臧佳棟，李浩宇， 鄢文超，張升偉，盧 亞，張海波,3

(1.華中科技大學材料科學與工程學院，材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢 430074； 2.廣東華中科技大學工業技術研究院，東莞 523808；3.華中科技大學溫州先進制造技術研究院,溫州 325003； 4.深圳市基克納科技有限公司，深圳 518102)

0 引 言

多孔陶瓷材料正被廣泛應用于環境工程、生物工程等多個領域，如過濾器和人工關節等。與聚合物、金屬等材料相比，陶瓷材料具有許多優良特性，如高硬度、化學惰性、抗熱震性、耐腐蝕、耐磨及低密度。為了滿足特殊應用(如高孔隙率和高強度、大孔徑和抗熱震性等性能協同提高)的要求，多孔陶瓷的制備工藝一直廣受關注。多孔陶瓷的孔徑結構參數，如孔隙大小、形狀、分布和連通性等，都對多孔陶瓷材料功能有重要影響。例如，多孔陶瓷中的孔隙可以在高溫下使材料絕緣，在過濾器中捕獲雜質，或促進生物支架中的組織生長。因此，多孔陶瓷可以通過改性和優化加工技術設計孔隙結構來獲得特定性能。

多孔陶瓷的孔徑是影響多孔陶瓷性能和應用的重要參數，根據孔徑d的不同，IUPAC(國際純粹與應用化學聯合會)將多孔材料分為3個等級:大孔(d>50 nm)、中孔(50 nm>d>2 nm)和微孔(d<2 nm)。表1所示為多孔陶瓷按孔徑大小劃分的制造工藝和典型應用。多孔材料最具代表性的應用是過濾流體中的物質，過濾根據孔徑d和物質的分子量截止量(MWCO)大致分為幾個等級：過濾(一般d>10 pm)、微濾(10 μm>d>100 nm)、超濾(100 nm>d>1 nm, MWCO為103～106)、納濾(d≈1～2 nm, MWCO為200～1 000)和反滲透(d<1 nm, MWCO約為100)。當孔徑較大時，主要是通過篩分效應來實現過濾，即粒徑大于孔徑的物質會被捕獲。在超濾、納濾和反滲透中應用的陶瓷孔隙較小，流體滲透性取決于溶質和溶劑與多孔材料間的親和力，如安裝在柴油發動機中的陶瓷過濾器，即柴油微粒過濾器(DPF)，其燃燒效率高且二氧化碳排放量低，有很好的發展前景；又如陶瓷水凈化過濾器，能有效過濾廢水中的大腸桿菌和懸浮物，且孔徑分布窄，耐久性好，損傷耐受性高。其次，多孔陶瓷因其穩定的化學性質和多孔結構常被用作生物反應器材料和多孔電極材料。如氣體凈化器等的電化學裝置、氣體傳感器、燃料電池和化學分析儀等，都需要兩極分化的孔徑分布，其中小孔作為電化學反應的載體，而大孔用于傳輸物質。多孔陶瓷還被廣泛應用于各個工業領域的窯、爐及熱交換機等[1]。

表1 多孔材料的孔徑分類及相應的制造工藝和典型應用[1]Table 1 Classification of porous materials by pore size and corresponding fabrication processes and typical applications[1]

制備多孔陶瓷的代表性工藝有：(1)部分燒結法；(2)犧牲模板法；(3)復制模板法；(4)直接發泡法；(5)3D打印法。圖1為上述5種多孔陶瓷制備工藝原理圖。本文旨在介紹上……