多孔陶瓷材料制備工藝技術探索

劉羽飛

（景德鎮陶瓷研究院，景德鎮，333000）

0 引言

關于多孔陶瓷，還可將其稱為微孔陶瓷、泡沫陶瓷，最初發展于20世紀70年代，最開始多孔陶瓷用于細菌過濾所用材料，但隨著科學技術不斷進步，控制材料細孔結構水平也隨之有了很大的提高，相對于玻璃纖維、金屬等材質，孔結構具有可控特征，開口孔隙率也得到有效提升，透過性也更為均勻，具有易再生、熱傳導性低、耐高溫耐腐蝕的應用優勢，被普遍用于我國環保、化工、食品等各大領域中，具有重要意義。

1 多孔陶瓷材料特征

1.1 在氣孔率方面

從整體上來看多孔陶瓷的特征，其中最明顯的特征就在于氣孔非常多，且均勻可控。對于氣孔可分為兩種類型，一種為開口氣孔，這類氣孔具有過濾、吸附、消音等各項功能；另一種為閉口氣孔，其作用在于將熱量、聲音等阻隔在外，同時也可進行固液體之間的微粒傳遞。泡沫陶瓷、蜂窩陶瓷以及陶瓷顆粒燒結體三者在氣孔率上分別為70%-90%、60%、30%-50%，通過上述數據能夠明顯看出多孔陶瓷的氣孔率相對比較高。

1.2 在強度方面

對于多孔陶瓷材料制備，主要是由金屬氧化物、碳化硅、二氧化硅等一些化學物質進行高溫燒制形成的，因上述制備材料本身強度就非常高，在對這些材料進行煅燒時，其中原料顆粒邊界處因煅燒作用出現融化現象，因此發生粘結并制備成強度非常高的多孔陶瓷[1]。

1.3 在物理化學性質方面

多孔陶瓷材料具有耐腐蝕、耐酸性的化學作用，同時對高溫、高壓也具有非常強的承受能力，且具有非常好的潔凈優勢，不會因自身原因造成二次污染問題，迎合當前國家大力推行的可持續、綠色環保這一發展理念提出的各項要求，值得大力推廣。

1.4 在過濾性方面

除上述特征之外，多孔陶瓷材料還可作為過濾材料所使用，通過其相對狹小的孔徑分布范圍，以及高氣孔率的優勢，促使過濾物充分接觸陶瓷材料后，能夠將懸浮物、微生物、膠體物等一些具有污染性質的物質阻截于過濾介質表面或者內部，即可起到一定的過濾作用，所產生過濾成效也非常好。除以上之外，多孔陶瓷材料經過長期使用后，借助液體、氣體對其進行反沖洗處理，就會恢復其所具有的過濾這一應用功能。

2 多孔陶瓷材料制備工藝技術

2.1 有機泡沫浸漬技術

應用有機泡沫浸漬技術進行多孔陶瓷材料制備，其根本制備工藝原理就是通過有機泡沫體本身具備的三維網狀骨架這一特殊性的結構形態，然后通過浸漬有機泡沫體，放在已經做好制備處理后的陶瓷漿料中，在這個過程中泡沫體會逐步將其中多余的漿料控出來并進行干燥處理，燒掉有機泡沫后獲取多孔陶瓷。從整體上來看這種制備工藝技術在操作上相對比較簡單且方便，整個過程不需要投入復雜設備，所需制造成本也非常低廉，通過該制備工藝所獲取的多孔陶瓷中的孔結構具有完全連通的特性，因此比較適用于制備開口氣孔、高氣孔率等類型的多孔陶瓷中[2]。除以上之外，應用該制備工藝進行多孔陶瓷制備還需要特別注重對有機泡沫體的選擇，根據制備需求加入適當的粘結劑，與此同時還可特別注意對燒成陶瓷的溫度進行有效控制，這樣做的目的在于避免因溫度過高或過低導致制品出現開裂情況，應用上述制備的泡沫陶瓷是當前最為主要的一種多孔陶瓷。

2.2 溶膠-凝膠工藝

在進行多孔陶瓷材料制備時采用溶膠-凝膠工藝進行制備，具體指的是通過在凝膠化這一過程中，其中的膠體粒子不斷堆積一起，且在進行凝膠處理、熱處理時還會產生一些小氣孔，因此也就形成具有可控性特征的多孔結構。上述制備工藝通常應用于納米級氣孔使用中，大多情況下都是用于制備微孔陶瓷。從整體上來看溶膠-凝膠這一制備工藝，是當前進行多孔陶瓷制備中一種新型工藝技術，相比較于其他類型的工藝技術具有屬于自身的獨特優勢，將這種制備工藝應用于氧化鋁多孔陶瓷制備時，能夠起到對陶瓷孔徑分布的純度、顯微結構等方面的優化和改善作用，其中需要特別注意這種制備工藝需要使用大量有機物，所需資金成本相對比較高，且生產產量比較低，應選擇性使用。

2.3 發泡工藝

對于發泡工藝進行陶瓷制備，具體指的是將有機或無機性質的化學物質添加至陶瓷組分中，借助化學作用來形成具有揮發性特征的氣體，從而形成泡沫狀態的物質，在通過干燥和燒制的方式制作而成的多孔陶瓷，對于這部分多孔陶瓷還包括網眼和泡沫兩種類型，與上述泡沫浸漬制備工藝技術進行對比，發泡工藝的應用優勢主要在于能夠對陶瓷制品性狀、密度、成分等進行有效控制，同時也能夠根據加工需求制備更多類型的氣孔性狀、不同大小的多孔陶瓷制品，因此這類制備工藝通常用于進行閉氣孔陶瓷材料制備所使用[3]。在整個制備過程中，其中所使用的發泡劑化學物質類型相對比較多，但因其具有工藝條件控制比較困難，這也就對陶瓷材料生產帶來一定的阻礙影響，另外在進行實際燒制時，因溫度增長太快也會使得其中的有機物發生劇烈氧化，同時也會在非常短的時間內產生大量氣體，從而導致陶瓷的胚體出現開裂、粉化等現象。

2.4 添加成孔劑工藝

在需要進行的陶瓷配料中，將造孔劑加入其中，這樣做的目的在于借助造孔劑的作用在陶瓷胚體內部占據一部分空間，然后對其進行燒結處理后造孔劑就會離開，從而產生氣孔來進行多孔陶瓷制備。從整體上來看，添加成孔劑制備工藝進行多孔陶瓷制備，與當前應用的普通陶瓷制備工藝進行對比，其在制備流程具有很多相似之處，將成孔劑加入陶瓷基體中，對其進行加熱處理后基本不會有殘留物，同時也不會與基體發生反應，這類制備工藝在應用過程中相對比較簡單，且適合應用于規模比較大的陶瓷材料生產作業中；另外，因造孔劑顆粒的大小、形狀存在一定的不同之處，因此也就決定了之后所制備出來的陶瓷材料的大小和形狀，但從整體上來看，所制造出來的陶瓷材料氣孔率相對比較低，分布也不是很均勻，對于這類工藝所制備出來的多孔陶瓷，大部分應用在催化劑載體方面。

2.5 擠出成型制備工藝

對于擠出成型這類制備工藝，主要用于對蜂窩狀形式的多孔陶瓷進行制備生產，同時也是當前蜂窩陶瓷應用最為普遍的一種制備工藝，對于工藝流程具體如下：先將多孔陶瓷制備所需原料進行合成處理，并混合于一體，然后再對其采取擠出成型工藝，并采取干燥、燒制后形成多孔陶瓷制品[4]。對于這類制備工藝所生產出來的多孔陶瓷，具有氣孔尺寸、形狀以及孔隙率比較均勻的特征，因此可用于批量多孔陶瓷生產作業中。但要特別注意的是，應用擠出成型這一制備工藝所生產的多孔陶瓷材料，其孔道結構相對比較簡單，氣孔尺寸也非常小，同時對于核心程序擠出成型塑性方面的制備要求相對比較高。

2.6 固相燒結工藝

采取固相燒結這一工藝進行多孔陶瓷制備作業，主要是借助其所具有的微細顆粒在燒結時比較容易的特征，通過在制備骨料中添加與之相同組分的微細顆粒，然后基于一定溫度條件下，促使骨料中微細顆粒隨之進行蒸發和遷移，通過對大顆粒連接部進行燒結處理后，以此使得其中的大顆粒處于連接狀態。在燒結過程中，所有骨料就會在其中與其他顆粒之間進行連接，在連接過程中，也會逐步在燒結體中形成大量三維貫通孔道，從而形成多孔陶瓷。

2.7 凝膠注模工藝

對于凝膠注模這種多孔陶瓷制備工藝，最開始起源在20世紀90年代美國，將傳統多孔陶瓷制備工藝和高分子化學反應兩者相結合，從而形成這種新型的多孔陶瓷制備工藝技術，整個制備過程就相當于原位成型的過程，在具體制備中，是通過有機單體或少量添加劑，使其產生化學反應后，在進行原位凝固成型，通過以此獲取微觀均勻、強度高的多孔陶瓷胚體，在對此進行燒結后獲取多孔陶瓷成品。

2.8 冷凍干燥工藝

對于冷凍干燥制備工藝的使用，借助冰的作用包圍和隔離處于柱形狀態的凝膠，在這個過程中還要對溶液中冰生長方向進行有效控制，使其保持單向生長狀態，當冰不斷溶化也就隨之形成纖維。而對于凍干制備工藝，其中所使用的溶劑則是從原本的固態逐漸升華成氣態后進行排除[5]。在制備過程中，通過對金屬鹽溶液冷凍方向進行相應的控制，以此獲取具有高氣孔率、方向好的多孔陶瓷，其中氣孔率通常在90%以上。從整體上來看，冷凍干燥工藝進行多孔陶瓷制備，所生產出來的陶瓷胚體具有收縮小、控制比較簡單，同時對于陶瓷的孔結構也具有非常強的可設計性能，機械強度也比較好的優勢，最重要的是應用該工藝進行多孔陶瓷制備不會對環境造成污染影響。

2.9 自蔓延高溫合成工藝

對于自蔓延高溫合成制備工藝，還可將其稱為燃燒合成工藝，應用該制備工藝進行多孔材料制備，其主要原理就是通過放熱、化學反應過程中所釋放的熱量，來起到對自我熱量進行的維持作用，借助熱量的維持作用獲取新物質的同時，也就制備出了多孔材料，也可以根據形狀要求獲取相應的多孔材料。另外，在進行燃燒合成的同時也會進行出現燒結狀態，這種燃燒狀態下的燒結體孔隙率是非常高的，一般情況在50%及以上。與其他常規性的制備工藝進行比較，燃燒合成工藝的制備特征和優勢主要體現在以下幾方面：燃燒合成、反應相對比較快，能夠起到節約能源資源的作用，所制備出來產品具有純度高的優勢，整體上所采用的工藝流程非常簡單，適用于無機材料制備；關于該制備工藝中存在的不足主要在于因燃燒合成反應和速度比較快，因此對于燒結尺寸的控制存在一定困難度。

2.10 水熱-熱靜壓工藝

關于水熱-熱靜壓工藝主要是以水作為整個制備工藝中的壓力傳遞介質，通過以此制備出不同孔徑大小的多孔陶瓷，對于該制備工作的流程具體如下：將質量百分數為10%的水與硅凝膠兩者進行混合處理，將處理后的混合液放在高壓釜中，對于高壓釜的壓力要求為10-15Mpa之間，溫度要求為300℃，通過高壓釜的作用促使其中的水蒸氣處于揮發狀態，從而制備成多孔陶瓷。從整體上來看應用該種制備工藝，反應時間要求通常在10-180min之間，若高壓釜壓力位25Mpa時，則所需反應時間一般為1h，所制備出來的多孔陶瓷材料體積密度、孔體積、孔分布范圍、抗壓強度分別為0.88g/cm3、0.598g/cm3、30-50cm、80Mpa，其應用優勢主要在于制備出來的多孔陶瓷材料具有抗壓強度比較高，整體性能非常穩定，且孔徑分布范圍相對比較廣泛[6]。

2.11 組織遺傳制備工藝

對于組織遺傳這種制備工藝的應用，是通過植物本身所具有的天然多孔組織的特征下進行制備的，通過將植物置于800℃-1000℃的溫度下，并與惰性氣體處于同一環境下進行熱解碳化后。從而獲取與木材多孔結構同類的碳預制體，將此作為多孔陶瓷制備的模板，通過在1600℃環境下的液態硅中進行蒸發處理后，形成硅蒸汽并深入模板中，將其與碳化進行合成處理，最終制備出多孔碳化硅陶瓷。整個制備過程非常簡單，所需要的資金也比較低，但其中需要特別注意的是，制備出來的多孔陶瓷孔結構取決于其中所用材質組織，因此設計性非常差，另外碳化硅轉化率也非常低。除以上之外，還可將木材置于真空環境下，然后浸漬于樹脂中，并處于1200℃環境下進行熱解處理，最后通過冷卻獲取相應孔隙率木材陶瓷材料。

3 總結

綜上所述，隨著多孔陶瓷材料制備工藝技術不斷進步，因其所帶來的巨大社會和經濟效益，得到當前社會各大領域的高度關注和重視，特別是航天、軍事、金屬陶瓷復合材料等領域對多孔陶瓷材料的需求更為迫切，對此相關科研人員未來應加快對制備工藝的優化，加強對氣孔尺寸、分布性狀等方面的可控性，減少企業生產成本，創造更高效益，實現產業化生產目標，為各大領域的發展提供更多有力支持。