對多孔陶瓷材料分析

張浩智,王　嬌（遼寧省輕工科學研究院,沈陽110036）

對多孔陶瓷材料分析

張浩智,王嬌
（遼寧省輕工科學研究院,沈陽110036）

多孔陶瓷又稱為多氣孔功能陶瓷,是指具有一定尺寸和數量的孔隙結構的新型陶瓷材料。其應用廣泛，在工業產業中發揮著巨大作用。本文首先對多孔陶瓷材料進行分析概述，其次詳細探討了多孔陶瓷材料的制備，以期對多孔陶瓷材料的研究有所幫助。

多孔陶瓷材料；制備；工藝

1　對多孔陶瓷材料分析

多孔陶瓷，顧名思義是其內部由大量孔道交錯連接，外表與里層結構一一對應的無機鹽材料，多數是在高溫高壓下反應而成。根據孔道不同的形狀將其分為三種：①蜂窩陶瓷②粒狀陶瓷③泡沫陶瓷。基于陶瓷材料較多的孔道，且相互聯通，導致其孔隙率較大，孔體積較大，較大的比表面積，再加上無機鹽較高的穩定性，穩定的化學與物理特性，使多孔無機鹽的應用特別廣泛，常見的有催化劑載體、流體過濾裝置、分離裝置、吸附劑、人工制造器官等，尤其是耐火材料、傳感器裝置。所以，多孔材料是當今的明星材料，科學家將目光集中于此，筆者綜合分析了近年來多孔陶瓷的研究情況。

2　多孔陶瓷材料的制備

2.1擠壓成型法

多孔陶瓷的制備方式主要是擠壓成型法，顧名思義，是借助于壓力機強大的壓力，致使材料發生變形，壓成理想中的樣子，這種擠壓方法可分為冷擠壓、熱擠壓，其工藝過程很簡單，先制備好有蜂窩結構的模型，然后使合成的無機鹽泥條在壓力的推動下穿過模型，在高溫下燒結幾個小時，就制備出了蜂窩陶瓷。舉個實例，汽車上普遍安裝的尾氣凈化裝置，就是蜂窩狀陶瓷，其制備流程就是合格的泥條在壓力推動下穿過蜂窩狀模型，再高溫燒結，得到多孔結構。如今，我們國家燒結陶瓷的技術已非常先進，最高蜂窩孔隙可達每2.54cm×2.54cm面積有400個孔道，具體過程就是原料制備、制備模型、擠壓過程、高溫燒結、成品。其方法比較簡單，孔徑大小可以隨意調節，形狀可控，不過不好制備內部結構過于復雜的材料，對于泥條的韌性要求也很高。

2.2顆粒堆積成孔工藝法

該方法的核心技術是在原材料中添加成分一致的細小粒子，借助于其特殊的化學性質，液化溫度不高，且易燒結，從而產生多孔結構。孔道直徑與顆粒直徑一致，成正比。也就是說顆粒的大小就是產生孔道的大小，顆粒在原材料中分布的是否勻稱，也反應出孔道是否勻稱。此外，影響內部結構的因素還有燒結溫度，助劑的性質和加入量，比如稀土氧化物氧化釔，其優良的化學性質使其成為合成氮化硅陶瓷最佳的添加劑，有利于更合理地分布孔道位置，且孔隙率也很高，也可添加特殊物質提高孔隙率，該類型陶瓷孔隙率基本處于25%左右。如果溫度允許的話，可添加特殊的造孔劑，如生物大分子、碎木屑、活性炭材料，高溫高壓環境中氣化助劑，孔隙率最高可達75%，該技術操作簡單，孔道大小可控，不過就是氣孔率不高。

2.3添加造孔劑工藝法

雖然說通過改變燒結溫度及保持時間能人為地調節陶瓷強度及孔隙率，但也不是很方便調節，以上兩種技術都存在缺陷，若是燒結溫度不夠高，陶瓷強度就不強，若是溫度過高，可能導致孔道密封，不過新型技術—添加造孔劑能夠解決這一難題。主要利用特殊的具有一定體積的造孔劑，使其均勻分散在原材料中，燒結后造孔劑氣化揮發，留下分散均勻的孔洞。其主要優點就是可根據人的思想制造出所需要的陶瓷材料，況且整個制備過程都很簡單明了，對于孔徑的大小、形狀及分布都能隨意安排，特別適用于催化劑載體方面。該核心技術是選擇好適宜的助劑，主要有無機物和有機物兩種，性質很重要，再者是助劑的粒徑，微米級還是納米級。無機物常見的是碳酸鹽，兩性物質和活性炭材料，有機物常見的是天然大分子、高分子材料、有機酸等，分子量多數達幾千。其壓制技術主要有五種：擠壓、注射、澆注、模壓和等靜壓。

2.4冷凍干燥工藝法

該技術又叫真空冷凍干燥，其核心技術就是利用真空冷凍先將原材料冷凍，低溫環境下原材料中的液態水會冷凝成冰，繼續抽真空，升高溫度使固態冰升華為氣態水而跑出去，所以就得到多孔的陶瓷。該方法在200年前由一名英國人提出，經過長時間的應用，還是很有效的。曾有人利用此方法制備出多孔結構的材料，不但有宏觀孔隙還有微觀孔隙，該技術不會產生有害氣體，不會遺留固體殘渣。實際生產中，也可以將包含陶瓷顆粒的液體低溫保存，有利于液態水變為固態冰，固態冰的晶格促使顆粒順著其晶體方向延伸，利于產生微觀結構，真空干燥后固態冰升華跑出去，剩下均勻排列的微觀孔隙，進而制備的陶瓷內部含有豐富的孔道。這種方法屬于環境友好型技術，綠色，操作簡單。

2.5多孔陶瓷水熱-熱靜壓工藝法

該技術的生產過程是攪拌混勻適量的原材料與水的混合體，轉移至不銹鋼反應釜中，然后加熱到一定溫度，高溫高壓環境下水分全部揮發帶出，從而產生多孔結構。主要借助于水的壓力來產生多孔。近年來日本學者曾利用此技術制得高質量高強度多孔陶瓷，他是將硅凝膠與水混合均勻，一并放入反應釜中，高溫高壓下帶有水蒸氣，壓力為10個大氣壓，時間約為3小時，其產生的孔徑處于納米級，約為40nm，抗壓強度很強，孔隙率很高，此技術實際應用方面很廣泛，陶瓷性能也很優越，不過需要高溫高壓環境、耗能量比較大、不節能、投資多，不符合節能環保理念。

3　小結

國內制備多孔陶瓷的技術已較為成熟，越來越受到科研學者的廣泛關注，制品的應用也越來越廣泛，尤其是最近亟待解決的環保問題，其關乎我們的生存環境和國家的穩定發展，所以要加大對多孔陶瓷的研究，拓寬其應用領域，使其造福人類。

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[2]付春偉,劉立強,于平坤,張國瑩,張淑國.造孔劑種類對粉煤灰多孔陶瓷性能的影響研究[J].粉煤灰綜合利用,2011(02).

[3]趙東.粉煤灰赤泥玻璃陶瓷制備與性能研究[D].山東建筑大學,2013.