泡沫陶瓷的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景

摘要 本文綜述了泡沫陶瓷材料的制備工藝和各國的發(fā)展現(xiàn)狀。介紹了泡沫陶瓷的分類方法和性能特點，并對泡沫陶瓷的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 泡沫陶瓷，制備工藝，性能，分類

1 前言

自20世紀(jì)中期，陶瓷材料越來越受到人們的重視，尤其是1940年后出現(xiàn)的新型陶瓷，隨著對材料要求的進(jìn)一步提高，人們逐漸認(rèn)識到陶瓷所具有的很多優(yōu)良特性，如其它材料無法比擬的耐蝕、耐熱、高硬度特性。進(jìn)入21世紀(jì)，各國政府高度重視新能源和新材料的開發(fā)、減少能源與材料的浪費和消耗，泡沫陶瓷材料的開發(fā)就是在這種大背景下提出的，特別是全球經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展后，世界工業(yè)的發(fā)展和變革，為泡沫陶瓷的發(fā)展和應(yīng)用提供了巨大的舞臺。

泡沫陶瓷的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代，它是一種氣孔率高達(dá)70～90％，體積密度只有0.3～0.6g／cm³，具有三維立體網(wǎng)絡(luò)骨架和相互貫通氣孔結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷制品。作為一種新型的無機(jī)非金屬過濾材料，它除了具有耐高溫、耐腐蝕等一般陶瓷所具有的性能外，泡沫陶瓷還具有質(zhì)量輕、氣孔率高、比表面積大、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、對流體自擾性強(qiáng)、再生簡單、使用壽命長及良好的過濾吸附性等優(yōu)點，與傳統(tǒng)的過濾器如陶瓷顆粒燒結(jié)體、玻璃纖維布相比，不僅操作簡單、節(jié)約能源、成本低，而且過濾效果好。泡沫陶瓷被廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、輕工、食品、環(huán)保、節(jié)能等領(lǐng)域。

2 泡沫陶瓷的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1國外的發(fā)展情況

1978年，美國人Mollard F R和Davidson N等利用氧化鋁、高嶺土等陶瓷漿料制作出了泡沫陶瓷，并將其應(yīng)用于熔融金屬鑄造過濾，顯著地提高了鑄件質(zhì)量，降低了廢品率。之后，英、日、俄、德、瑞士等國競相開展了研究。生產(chǎn)工藝日益先進(jìn)，技術(shù)裝備越來越向機(jī)械化、自動化發(fā)展。已研制出多種材質(zhì)、適合于不同用途的泡沫陶瓷過濾器，如堇青石、莫來石、Al₂O₃、ZrO₂、SiC、Si₃N₄等高溫泡沫陶瓷，產(chǎn)品已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，形成了一個新興產(chǎn)業(yè)。

目前，國際上工業(yè)發(fā)達(dá)國家的鑄造行業(yè)。已普遍采用金屬熔體過濾工藝。這些國家的使用表明，運用泡沫陶瓷過濾技術(shù)可使鑄件夾雜物含量大幅降低、合格率大幅度提高(可提高50％以上)，可提高鑄件的機(jī)械性能、延長金屬切削加工的刀具壽命。據(jù)報道，在生產(chǎn)生鐵鑄件時，采用泡沫陶瓷過濾器，可使產(chǎn)品的合格率提高到80％。當(dāng)灰口鐵和可鍛鑄鐵采用泡沫陶瓷過濾器進(jìn)行凈化、生產(chǎn)汽車用曲軸時，僅機(jī)械加工車間的廢品率就從35％降低到0.3％。在連續(xù)鑄鋼中，采用泡沫陶瓷過濾，能使不銹鋼中非金屬夾雜物的含量大約減少20％。英國Foseco公司研制的泡沫陶瓷過濾器可消除比10μm小得多的夾渣，經(jīng)過濾的鋁合金壓鑄件比過濾前的鑄件在機(jī)加工時刀具磨損量減小50％，過濾使鐵素體球鐵的疲勞強(qiáng)度提高10％左右，道具磨損減少0.04～0.1mm。

2.2國內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)展情況

在國內(nèi)，隨著對金屬制品純度、性能等要求的提高，泡沫陶瓷過濾技術(shù)及其產(chǎn)品的應(yīng)用日益重要。泡沫陶瓷過濾技術(shù)在冶金鑄造工業(yè)方面的應(yīng)用也越來越廣。

我國在80年代初開展泡沫陶瓷的研究工作，哈爾濱理工大學(xué)于1982年最早研制出用于鋁合金過濾的泡沫陶瓷過濾器。此后，該校又陸續(xù)開發(fā)出可用于黑色金屬過濾的泡沫陶瓷過濾器。在此期間，沈陽鑄造研究所、上海機(jī)械制造工藝研究所、湖北省機(jī)電研究設(shè)計院、南昌航空工業(yè)學(xué)院、東風(fēng)汽車公司等單位也先后開展了泡沫陶瓷過濾器的研究工作，并均取得豐碩成果。

近20多年來。已先后有多家科研機(jī)構(gòu)和廠家進(jìn)行了泡沫陶瓷制品的探索研究。熔融金屬過濾用泡沫陶瓷國產(chǎn)產(chǎn)品已基本上可滿足日益增長的國內(nèi)需要，有的品種還大量出口，只有少數(shù)高端產(chǎn)品尚需進(jìn)口。

3 泡沫陶瓷的分類和性能

3.1泡沫陶瓷的分類

泡沫陶瓷有多種分類方法。按孔隙之間關(guān)系可分為：閉口氣孔和開口氣孔兩種。閉口氣孔是指陶瓷材料內(nèi)部微孔分布在連續(xù)的陶瓷基體中。孔與孔之間相互隔離：開口氣孔包括材料內(nèi)部孔與孔之間相互連通和一邊開口、另一邊閉口形成不連通氣孔兩種。

泡沫陶瓷按材質(zhì)又可分為以下幾種：

(1)鋁硅酸鹽材料。以耐火粘土熟料、燒礬土、硅線石和合成莫來石質(zhì)顆粒為骨料，具有耐酸性和耐弱堿性，使用溫度達(dá)1000~C。

(2)高硅質(zhì)硅酸鹽材料。主要以硬質(zhì)瓷渣、耐酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷顆粒為骨料生產(chǎn)，具有耐水性和耐酸性，使用溫度達(dá)700~C。

(3)陶質(zhì)材料。組成接近高硅質(zhì)硅酸鹽材料，是一種主要以多種粘土熟料顆粒與粘土等混合而得到的微孔陶瓷材料。

(4)硅藻土質(zhì)材料。主要以精選硅藻土為原料，加粘土燒結(jié)而成，用于精濾水和酸性介質(zhì)中。

(5)剛玉和金剛砂材料。以不同型號的電熔剛玉和碳化硅顆粒為骨料，具有耐強(qiáng)酸、耐高溫特性，耐高溫可達(dá)1600~C。

3.2泡沫陶瓷的性能

3.2.1氣孔率

泡沫陶瓷的氣孔率為70～90％，對多孔陶瓷來說，這是最高的。蜂窩陶瓷的氣孔率約為60％，陶瓷顆粒燒結(jié)體的氣孔率約為30～50％。

3.2.2抗彎強(qiáng)度

泡沫陶瓷的強(qiáng)度主要依賴于陶瓷材質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)骨架的粗細(xì)。骨架的粗細(xì)可以用泡沫陶瓷的體積密度來表示。若使骨架變粗可以提高體積密度，增加制品的機(jī)械強(qiáng)度。但提高得過多，氣孔孔隙會被料漿堵塞，壓力損失變大。對于蜂窩陶瓷來說，在格子平行的方向、垂直方向和斜度方向強(qiáng)度相差很大，而泡沫陶瓷是一種三維方向一致的結(jié)構(gòu)體，其強(qiáng)度沒有方向性的變化。

3.2.3熱震穩(wěn)定性和網(wǎng)眼孔徑

當(dāng)泡沫陶瓷作為熔融金屬的過濾材料時，由于其使用于溫度驟變的場合，必須具有良好的抗熱震穩(wěn)定性。另外，由于金屬熔體的粘度、密度及流動性不同，應(yīng)選擇不同大小的濾板網(wǎng)眼孔徑。泡沫陶瓷的網(wǎng)眼孔徑一般可控制在0.2～3mm范圍內(nèi)，通常分為粗、中、細(xì)孔三個等級。

而且，泡沫陶瓷材料微孔的表面化學(xué)特性和微孔的尺寸特性對泡沫陶瓷的性能有著重大的影響。而決定微孔的表面化學(xué)特性的因素有陶瓷的組成、狀態(tài)和微孔的表面處理等方面。如：吸附性能是由微孔表面物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)晶構(gòu)造、非晶質(zhì)的有無來決定的。微孔的尺寸特性中，微孔直徑、分布、形式、比表面積等對其過濾、分離性能有很大的影響。

4 泡沫陶瓷的制備工藝

泡沫陶瓷材料的制備方法有很多種，其中應(yīng)用比較成功的有：有機(jī)物燃燒法、添加造孔劑法、發(fā)泡法、有機(jī)前驅(qū)體浸漬法及溶膠一凝膠方法等。

4.1發(fā)泡法

采用反應(yīng)發(fā)泡的方法，可以制備出形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品，以滿足一些特殊場合的應(yīng)用。在陶瓷粉料中加入適當(dāng)?shù)奶沾衫w維，有望改善這一工藝，有效增加坯體在燒結(jié)過程中的強(qiáng)度，避免粉化和塌陷。發(fā)泡反應(yīng)法的工藝較復(fù)雜，不易控制，且制備出的泡沫陶瓷易出現(xiàn)粉化剝落現(xiàn)象并且含有大量閉氣孔，因此在實際制備中較少被采用。

4.2溶膠一凝膠法

溶膠一凝膠法作為低溫或溫和條件下合成無機(jī)化合物或無機(jī)材料的重要方法，在化學(xué)合成中占有重要地位。在制備玻璃、陶瓷、薄膜、纖維、復(fù)合材料等方面獲得重要應(yīng)用，更廣泛用于制備納米粒子。溶膠一凝膠法的化學(xué)過程首先是將原料分散在溶劑中，然后經(jīng)過水解反應(yīng)生成活性單體，活性單體進(jìn)行聚合，開始成為溶膠，進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠，經(jīng)過干燥和熱處理制備出納米粒子和所需要的材料。

溶膠一凝膠法主要用來制備孔徑在納米級的微孔陶瓷材料，本方法經(jīng)改進(jìn)后也可以制備高規(guī)整度的泡沫陶瓷材料。運用溶膠一凝膠技術(shù)制備泡沫材料。在溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)化過程中，體系的粘度迅速增加。從而穩(wěn)定了前期產(chǎn)生的氣泡，有利于發(fā)泡。該工藝與其他工藝相比有其獨特之處，現(xiàn)在正成為無機(jī)薄膜制備工藝中最為活躍的研究領(lǐng)域。

4.3添加造孔劑工藝

此工藝是通過在陶瓷配料中添加造孔劑，利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間，然后經(jīng)過燒結(jié)，造孔劑離開基體從而形成氣孔來制備泡沫陶瓷。雖然在陶瓷工藝中。采用調(diào)整燒結(jié)溫度和時間的方法可以控制產(chǎn)品的孔隙度和強(qiáng)度，但對于多孔陶瓷，溫度太高，會使部分氣孔封閉或消失。溫度太低，則產(chǎn)品強(qiáng)度低；而采用添加造孔劑的方法則可以避免上述缺點，使產(chǎn)品既有好的孔隙度又有好的強(qiáng)度。這種工藝方法的關(guān)鍵在于造孔劑種類和用量的選擇。

4.4有機(jī)泡沫浸漬法

有機(jī)泡沫浸漬工藝是Schwartzwalder在1963年發(fā)明的，該方法利用有機(jī)泡沫體所具有的開孔三維網(wǎng)狀骨架的特殊結(jié)構(gòu)，將制備好的料漿均勻地涂覆在有機(jī)泡沫網(wǎng)狀體上，干燥后燒掉有機(jī)泡沫體從而獲得一種網(wǎng)眼多孔陶瓷。該方法通過控制漿料性能，優(yōu)化無機(jī)粘結(jié)劑體系，嚴(yán)格控制漿料浸漬工藝過程，可制備出高性能的泡沫陶瓷制品，是目前泡沫陶瓷最理想的制備方法。用這種成形方法制備的泡沫陶瓷已在多個領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。

4.5自蔓延高溫合成工藝

1967年，蘇聯(lián)科學(xué)家Mazhanov AG發(fā)明了自蔓延高溫合成工藝(SHS)，又稱為燃燒合成法。該方法高效、節(jié)能，可以制備出性能優(yōu)良的陶瓷材料，其產(chǎn)品具有較高的孔隙率，因此常用該方法制備具有聯(lián)系網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。其基本思路是：當(dāng)溫度高于必要的點火溫度時，誘發(fā)體系產(chǎn)生局部的化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，在持續(xù)放熱下，燃燒將涉及到整個體系。SHS的本質(zhì)是一種高放熱無機(jī)化學(xué)反應(yīng)，近年來該SHS技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。

4.6凝膠注模工藝

美國橡樹嶺國家實驗室首次提出了凝膠注模工藝，它是一種被廣泛應(yīng)用的新型成形方法。這種新的成形技術(shù)采用非孔模具，利用料漿內(nèi)部或少量添加劑的化學(xué)反應(yīng)使陶瓷料漿原位凝固形成坯體，獲得具有良好微觀均勻性和較高密度的素坯，從而顯著提高材料的可靠性。該工藝可以使懸浮體泡沫化。而且能使液體泡沫原位聚合固化。作為制備多孔陶瓷的一種新方法，懸浮體泡沫化顯然最經(jīng)濟(jì)，原位聚合固化所形成的素坯具有內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較高。Pilarsepulveda使用該工藝制備的多孔氧化鋁陶瓷，其抗彎強(qiáng)度高達(dá)26MPa，孔隙率高達(dá)90％。

5 結(jié) 語

綜上所述，泡沫陶瓷的研究與發(fā)展已經(jīng)受到人們的普遍重視，特別是在冶金、化工、環(huán)保、節(jié)能、醫(yī)學(xué)、電子等方面的應(yīng)用越來越廣泛，進(jìn)一步的開發(fā)、應(yīng)用和推廣將會給現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代生活帶來極大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。今后要進(jìn)一步完善泡沫陶瓷材料的基礎(chǔ)理論研究，提高泡沫陶瓷本身的材料性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，完善泡沫陶瓷的制造工藝，實現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)，進(jìn)一步加大研究、開發(fā)和應(yīng)用力度。