对多孔陶瓷材料分析

张浩智,王　娇（辽宁省轻工科学研究院,沈阳110036）

对多孔陶瓷材料分析

张浩智,王娇
（辽宁省轻工科学研究院,沈阳110036）

多孔陶瓷又称为多气孔功能陶瓷,是指具有一定尺寸和数量的孔隙结构的新型陶瓷材料。其应用广泛，在工业产业中发挥着巨大作用。本文首先对多孔陶瓷材料进行分析概述，其次详细探讨了多孔陶瓷材料的制备，以期对多孔陶瓷材料的研究有所帮助。

多孔陶瓷材料；制备；工艺

1　对多孔陶瓷材料分析

多孔陶瓷，顾名思义是其内部由大量孔道交错连接，外表与里层结构一一对应的无机盐材料，多数是在高温高压下反应而成。根据孔道不同的形状将其分为三种：①蜂窝陶瓷②粒状陶瓷③泡沫陶瓷。基于陶瓷材料较多的孔道，且相互联通，导致其孔隙率较大，孔体积较大，较大的比表面积，再加上无机盐较高的稳定性，稳定的化学与物理特性，使多孔无机盐的应用特别广泛，常见的有催化剂载体、流体过滤装置、分离装置、吸附剂、人工制造器官等，尤其是耐火材料、传感器装置。所以，多孔材料是当今的明星材料，科学家将目光集中于此，笔者综合分析了近年来多孔陶瓷的研究情况。

2　多孔陶瓷材料的制备

2.1挤压成型法

多孔陶瓷的制备方式主要是挤压成型法，顾名思义，是借助于压力机强大的压力，致使材料发生变形，压成理想中的样子，这种挤压方法可分为冷挤压、热挤压，其工艺过程很简单，先制备好有蜂窝结构的模型，然后使合成的无机盐泥条在压力的推动下穿过模型，在高温下烧结几个小时，就制备出了蜂窝陶瓷。举个实例，汽车上普遍安装的尾气净化装置，就是蜂窝状陶瓷，其制备流程就是合格的泥条在压力推动下穿过蜂窝状模型，再高温烧结，得到多孔结构。如今，我们国家烧结陶瓷的技术已非常先进，最高蜂窝孔隙可达每2.54cm×2.54cm面积有400个孔道，具体过程就是原料制备、制备模型、挤压过程、高温烧结、成品。其方法比较简单，孔径大小可以随意调节，形状可控，不过不好制备内部结构过于复杂的材料，对于泥条的韧性要求也很高。

2.2颗粒堆积成孔工艺法

该方法的核心技术是在原材料中添加成分一致的细小粒子，借助于其特殊的化学性质，液化温度不高，且易烧结，从而产生多孔结构。孔道直径与颗粒直径一致，成正比。也就是说颗粒的大小就是产生孔道的大小，颗粒在原材料中分布的是否匀称，也反应出孔道是否匀称。此外，影响内部结构的因素还有烧结温度，助剂的性质和加入量，比如稀土氧化物氧化钇，其优良的化学性质使其成为合成氮化硅陶瓷最佳的添加剂，有利于更合理地分布孔道位置，且孔隙率也很高，也可添加特殊物质提高孔隙率，该类型陶瓷孔隙率基本处于25%左右。如果温度允许的话，可添加特殊的造孔剂，如生物大分子、碎木屑、活性炭材料，高温高压环境中气化助剂，孔隙率最高可达75%，该技术操作简单，孔道大小可控，不过就是气孔率不高。

2.3添加造孔剂工艺法

虽然说通过改变烧结温度及保持时间能人为地调节陶瓷强度及孔隙率，但也不是很方便调节，以上两种技术都存在缺陷，若是烧结温度不够高，陶瓷强度就不强，若是温度过高，可能导致孔道密封，不过新型技术—添加造孔剂能够解决这一难题。主要利用特殊的具有一定体积的造孔剂，使其均匀分散在原材料中，烧结后造孔剂气化挥发，留下分散均匀的孔洞。其主要优点就是可根据人的思想制造出所需要的陶瓷材料，况且整个制备过程都很简单明了，对于孔径的大小、形状及分布都能随意安排，特别适用于催化剂载体方面。该核心技术是选择好适宜的助剂，主要有无机物和有机物两种，性质很重要，再者是助剂的粒径，微米级还是纳米级。无机物常见的是碳酸盐，两性物质和活性炭材料，有机物常见的是天然大分子、高分子材料、有机酸等，分子量多数达几千。其压制技术主要有五种：挤压、注射、浇注、模压和等静压。

2.4冷冻干燥工艺法

该技术又叫真空冷冻干燥，其核心技术就是利用真空冷冻先将原材料冷冻，低温环境下原材料中的液态水会冷凝成冰，继续抽真空，升高温度使固态冰升华为气态水而跑出去，所以就得到多孔的陶瓷。该方法在200年前由一名英国人提出，经过长时间的应用，还是很有效的。曾有人利用此方法制备出多孔结构的材料，不但有宏观孔隙还有微观孔隙，该技术不会产生有害气体，不会遗留固体残渣。实际生产中，也可以将包含陶瓷颗粒的液体低温保存，有利于液态水变为固态冰，固态冰的晶格促使颗粒顺着其晶体方向延伸，利于产生微观结构，真空干燥后固态冰升华跑出去，剩下均匀排列的微观孔隙，进而制备的陶瓷内部含有丰富的孔道。这种方法属于环境友好型技术，绿色，操作简单。

2.5多孔陶瓷水热-热静压工艺法

该技术的生产过程是搅拌混匀适量的原材料与水的混合体，转移至不锈钢反应釜中，然后加热到一定温度，高温高压环境下水分全部挥发带出，从而产生多孔结构。主要借助于水的压力来产生多孔。近年来日本学者曾利用此技术制得高质量高强度多孔陶瓷，他是将硅凝胶与水混合均匀，一并放入反应釜中，高温高压下带有水蒸气，压力为10个大气压，时间约为3小时，其产生的孔径处于纳米级，约为40nm，抗压强度很强，孔隙率很高，此技术实际应用方面很广泛，陶瓷性能也很优越，不过需要高温高压环境、耗能量比较大、不节能、投资多，不符合节能环保理念。

3　小结

国内制备多孔陶瓷的技术已较为成熟，越来越受到科研学者的广泛关注，制品的应用也越来越广泛，尤其是最近亟待解决的环保问题，其关乎我们的生存环境和国家的稳定发展，所以要加大对多孔陶瓷的研究，拓宽其应用领域，使其造福人类。

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