多孔陶瓷材料的應(yīng)用及發(fā)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(yōu)秀的再生性能等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)。本文首先簡單敘述了多孔陶瓷本身的特點(diǎn)及性能，之后重點(diǎn)闡述了目前多孔陶瓷在多領(lǐng)域多行業(yè)中的運(yùn)用，最后再敘述了多孔陶瓷在以后的進(jìn)步方向與應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：多孔陶瓷;應(yīng)用前景;無機(jī)非金屬材料

引言

隨著科技水平與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展增長，環(huán)境與資源對發(fā)展不斷提出新的要求，許許多多的新材料為順應(yīng)這一潮流逐漸被研發(fā)制備，并廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)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(fù)雜的成型步驟與高溫?zé)Y(jié)工藝進(jìn)行制備。其重要特征是內(nèi)部擁有許多或連通或獨(dú)立的氣孔。因?yàn)槎嗫滋沾杀旧砭哂谐錾奈锢砑盎瘜W(xué)特性，目前在環(huán)保、化工、冶煉、食品、建筑、生物醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)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(gè)特征就是在內(nèi)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(nèi)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(yōu)勢。開口氣孔可以對氣體、液體進(jìn)行過濾，對其中雜質(zhì)吸收，同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(fā)生熔化，邊界處相互粘結(jié)，強(qiáng)度更高的多孔陶瓷由此形成。同時(shí)，經(jīng)過大量研究實(shí)驗(yàn)表明，多孔陶瓷的強(qiáng)度與其本身氣孔率有關(guān)，氣孔孔徑增大或數(shù)量增多，都會(huì)使材料的抗壓強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度下降。

（3）物理與化學(xué)性能穩(wěn)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(qiáng)度，同時(shí)自身潔凈易回收，不會(huì)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(shí)，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(nèi)部的孔狀結(jié)構(gòu)阻攔。此外，在長時(shí)間使用導(dǎo)致多孔陶瓷過濾能力下降時(shí)，可使用特定的氣體或液體對多孔陶瓷進(jìn)行沖洗清潔，就會(huì)使其過濾能力有所恢復(fù)，再生性極佳。

二、多孔陶瓷的應(yīng)用

（1）過濾材料。鑒于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙特征，板狀與管狀的多孔陶瓷制品被廣泛應(yīng)用于水的凈化、油類的分離過濾。由于其穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，也被用于有機(jī)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(shí)具有過濾效率高和可濾種類多的優(yōu)點(diǎn)。在腐蝕性流體、高溫流體等應(yīng)用領(lǐng)域，多孔陶瓷風(fēng)頭正盛。

（2）吸音降噪的應(yīng)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(shí)發(fā)生了分散。而多孔陶瓷的孔隙結(jié)果恰好可以做到這一點(diǎn)。通過控制孔徑大小（20～150μm）與氣孔率（60%以上）制成的高強(qiáng)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(shè)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(yīng)物的接觸面積，同時(shí)不與催化劑或反應(yīng)物或反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生物理化學(xué)變化。而具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，且物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的多孔陶瓷材料恰好符合這一點(diǎn)。

（4）隔熱材料。陶瓷本身的導(dǎo)熱率就很低，傳統(tǒng)陶瓷也常會(huì)被用作隔熱耐溫材料。而多孔陶瓷因內(nèi)部充滿氣體，其隔熱性能得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)。其密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、體積熱容也更小。同時(shí)其熱阻偏大。目前，傳統(tǒng)氣爐與高溫電爐中已大規(guī)模使用多孔陶瓷作為隔熱材料，耐溫可達(dá)1600℃。在航空航天領(lǐng)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(jié)構(gòu)的其他材料要低。因此，電解隔膜材料常常會(huì)選用多孔陶瓷，可以起到降低電解槽電壓，促進(jìn)電解效率，節(jié)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(xué)電池等）中都可以見到。

（6）作為傳感元件。在介質(zhì)中放入微孔陶瓷，其中的氣體或液體會(huì)被多孔結(jié)構(gòu)所吸附或與其中攜帶的物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，這樣一來，微孔陶瓷的電阻將發(fā)生變化，這意味著其電信號(hào)也發(fā)生了改變。根據(jù)電信號(hào)的變化可以感知出介質(zhì)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(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)。

（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(shí)，還具有更好的生物相容性，物理化學(xué)性能更加穩(wěn)定，更不易產(chǎn)生排異反應(yīng)。在臨床醫(yī)療領(lǐng)域，多孔生物陶瓷在手術(shù)結(jié)束后的空腔恢復(fù)、血管生成、骨質(zhì)修復(fù)等方面都發(fā)揮著重大作用。同時(shí)，其內(nèi)部的多孔空間也可以用來搭載藥物，方便實(shí)現(xiàn)長期持續(xù)的治療方案。

三、多孔陶瓷的發(fā)展前景

未來，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技發(fā)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(diǎn)，充分發(fā)揮著其獨(dú)有的優(yōu)勢特點(diǎn)走進(jìn)各行各業(yè)與人們的生活。多孔陶瓷在保留著陶瓷本身特點(diǎn)的同時(shí)，以其內(nèi)部多孔性特征，在新材料領(lǐng)域有了一席之地，并逐漸成為各個(gè)領(lǐng)域的寵兒。

如今，許多高精尖行業(yè)也開始認(rèn)識(shí)到多孔陶瓷的優(yōu)越性并將其投入使用。比如，在天線罩制造領(lǐng)域中，國內(nèi)對多孔陶瓷的開發(fā)已取得重要突破。

不僅如此，傳統(tǒng)行業(yè)也對多孔陶瓷進(jìn)行了深入研究與應(yīng)用：在礦石冶金領(lǐng)域的推廣使用;在新能源制備中的重要作用。總而言之，新應(yīng)用領(lǐng)域的不斷過大，傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，這都彰顯著多孔陶瓷無比巨大的發(fā)展前景。

結(jié)束語

時(shí)代在進(jìn)步，科技在發(fā)展，傳統(tǒng)領(lǐng)域想在新時(shí)代發(fā)光發(fā)熱，做出貢獻(xiàn)，就必須緊跟潮流，開拓創(chuàng)新。陶瓷作為傳統(tǒng)無機(jī)非金屬領(lǐng)域中的一員，其應(yīng)用歷史與研究成果都十分豐富。而多孔陶瓷，正是其創(chuàng)新發(fā)展，煥發(fā)新生的代表。新技術(shù)新設(shè)備的出現(xiàn)也使得多孔陶瓷的制備手段更加多種多樣，更加高效環(huán)保。進(jìn)一步的研究、普及、應(yīng)用多孔陶瓷，毫無疑問能夠獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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