【原创】一文了解多孔陶瓷性能及其制备技术


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  多孔陶瓷是一种新型陶瓷材料,为三维立体骨骼结构,通过把骨料与增孔剂、粘结剂相融合,经过高温煅烧炼制而成。因为在烧制过程中会产生很多孔状结构,所以也被人们称为微孔陶瓷、泡沫陶瓷。

中国粉体网讯  多孔陶瓷是一种新型陶瓷材料,为三维立体骨骼结构,通过把骨料与增孔剂、粘结剂相融合,经过高温煅烧炼制而成。因为在烧制过程中会产生很多孔状结构,所以也被人们称为微孔陶瓷、泡沫陶瓷。


 

图片来源:上海禹贝精密陶瓷有限公司


多孔陶瓷因具有超强的热稳定性、较低的热传导性和良好的透过性等优点,目前已被广泛应用于生物化学、环境保护、航空航天等领域。常用于催化剂载体、流体过滤装置、分离装置、吸附剂、人工制造器官和耐火材料、传感器装置等。


1多孔陶瓷发展历程


世界的第一个多孔陶瓷是美国于1978年研制成功的,他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷原料制备出多孔材料,用于铝合金铸造过滤,发现可以显著提高铝合金铸件的质量,降低废品率。此一研究成果在1980年4月的铸造年会上进行发表,正式拉开了多孔材料研究的帷幕。此后,英国、俄国、德国、日本、瑞士等各国家相继开展了对多孔材料的研究。


现今,多孔材料的种类繁多,按多孔材料的材质可分为八类,如高硅硅酸盐材料、铝硅酸盐材料、精陶质材料、硅藻土质材料、纯碳质材料、刚玉和金刚砂材料、堇青石、钛酸铝材料等。


2多孔陶瓷的性能


多孔陶瓷材料由于其独特的结构特点而具有优异的性能:①密度低:由于多孔陶瓷的高孔隙率,其密度远低于同材质的致密陶瓷,具有轻质的特点;②强度高:相对于多孔高分子材料和多孔金属材料,多孔陶瓷强度较高;③比表面积高;④热导率低;⑤高抗热震性;⑥耐化学腐蚀性;⑦低介电常数。


目前,我国制备的多孔陶瓷的性能仍然需要进行优化。此外,随着人们对产品性能和生产价格的严格要求,制备高性能且成本低廉的多孔陶瓷就成为研究的热点。因此了解多孔陶瓷的性能与制备方法是十分有必要的。


3多孔陶瓷制备方法


制备多孔陶瓷的方法不胜枚举,而制备方法的不同也造成了多孔陶瓷材料结构和性能的千变万化。以下主要介绍了几种常见的多孔陶瓷的制备方法及其特点。


3.1直接发泡法


发泡是通过机械搅拌或添加发泡剂等方式将气体引入到悬浮液中,通过搅拌,浆料会产生细密且稳定的泡沫,然后将成型的浆料置于一旁直至干燥,将干燥完成后的样品置于所需烧结炉中烧结,即可得到所需的多孔陶瓷材料。整个操作工程的简易流程图如下图所示。制备多孔陶瓷的关键是制备稳定的发泡浆料以及泡沫浆料的固化。


 

铝粉直接发泡法制备氧化铝多孔陶瓷过程图


直接发泡法具有形状易控、成分易控、密度易控等特点,且操作工艺简单易学,目前是一种比较经济的方法。此外,此法易于工业化生产,开孔或闭孔结构、高气孔率的多孔陶瓷可利用此种制备方法得到。但是由于泡沫浆料的稳定性易受体系组分的影响,仍需要合理调控达到最优发泡条件。


3.2添加造孔剂法


添加造孔剂法需要使被添加到陶瓷浆料中的造孔剂占据浆料的一部分体积,等将其成型干燥后,通过在烧结过程中挥发或燃尽,在陶瓷基体内留下孔洞,从而得到多孔陶瓷。


通常选用易排除、与基体不反应、且无有害残留的物质作为造孔剂,其主要包括高分子材料、聚合物天然纤维等有机造孔剂。除此之外,聚乙烯醇缩丁醛、碳/煤粉、聚甲基丙烯酸甲脂、甲基纤维素、硬脂酸、尿素等,以及碳酸铵、氯化铵、碳酸氢铵等可分解的盐类都是常见的造孔剂。


另外,造孔剂的尺寸的不一和加入量的不等都可以来对多孔陶瓷的孔结构和孔形貌进行调控,且这种调控有效、简便易行、可控性强,这也是添加造孔剂法的最强优势所在。这种方法可以制备气孔结构各异的制品,气孔率水平一般相对较低,介于25%~75%之间,孔径介于1~650μm之间。


3.3冷冻干燥法


冷冻干燥法又称冰模板法,是将仍然有流动性的浆料倒入模具,将其在低温下冷冻直至浆料中的水分凝固成冰,将其置于冷冻干燥箱进行干燥,使冰升华为水蒸气排出去,最终可得到干燥后样品,脱模即可。


 

3.4其他方法


除了上述几种主要工艺外,还可通过其他制备方法制备多孔陶瓷,例如:陶瓷纤维法,利用陶瓷纤维相互架构成三维孔洞结构;水热-热静压工艺,孔径不一的多孔陶瓷可通过将液态水作为压力传递的介质来制备得到;将陶瓷渗透沉积到多孔骨架得到多孔陶瓷是化学气相渗透法的核心步骤。


此外还有许多种造孔的方法之间的结合,例如直接发泡工艺与冷冻干燥法相结合、

凝胶注模和造孔剂法的结合、墨水直写法与造孔剂相结合等。


总而言之,不同的制备方法决定了多孔陶瓷各自不同的特点,在成本、工艺复杂性、自动化程度等方面各有利弊,材料的孔结构(包括气孔率、孔形貌、孔径尺寸、孔分布)等也是各有特色。


4小结


多孔陶瓷的研究与开发已经受到人们的普遍重视,特别是它在能源、环保、化工方面的应用已初露锋芒,进一步的开发、应用和推广将带来巨大的经济效益和社会效益。研发和制备更加受市场青睐的新型高性能多孔陶瓷材料将是科学研究工作者所追求的目标。


参考来源:

【1】范羽宜.多孔氧化铝陶瓷制备及铝造孔机制探讨.2020.

【2】李亚杰.氧化铝多孔陶瓷材料的制备及性能研究.2020.

【3】张文毓.多孔陶瓷材料的制备与应用进展.特种陶瓷.2017.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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