【原创】收藏了!多孔氧化铝陶瓷的应用


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  多孔氧化铝陶瓷因其优异的特性具有广阔的应用前景。

中国粉体网讯  多孔陶瓷是一种重要的功能和结构材料,在日常生活和工业生产中的作用日趋增大,而多孔氧化铝陶瓷作为多孔陶瓷中广泛使用的一种,愈发受到关注。


 

图片来源:洛阳欣珑陶瓷


1多孔氧化铝陶瓷特性


多孔氧化铝陶瓷是指一种以氧化铝为骨料,通过在成型或烧结过程中,利用物理方法或化学方法在基体内部形成大量相互贯通或闭合的孔洞的多孔材料。


多孔氧化铝陶瓷是氧化铝陶瓷与多孔陶瓷的结合体,其保留了氧化铝陶瓷固有的优良的热、光、电、磁等物理性能的同时还兼有多孔结构带来的高的气孔率以及较大的比表面积,具有硬度高、力学性能优良、耐腐蚀、高温稳定性好等特点,且其制造成本低廉,生产工艺简单,因此成为了应用领域最广的一类多孔陶瓷材料。


2多孔氧化铝陶瓷的研究现状


1978年,MollardFR率先利用氧化铝类的陶瓷浆料制备出了多孔陶瓷,并用其进行熔融金属液体的过滤。随着多孔陶瓷的快速发展,以美英为首的欧美国家加大了研发力度,优化了制备方法,使得其制备工艺由最初的手工作坊式逐渐向机器化和自动化转变。


而我国于20世纪80年代才开始对多孔陶瓷的研究。1996年,我国的第一条多孔陶瓷生产线在深圳建成,该生产线采用独创的配方和先进的生产工艺,生产出来的产品性能及主要技术指标均达到国际同类产品的先进水平。2006年福州大学以氧化铝粉和莫来石为原料制备了用于铝熔体过滤的“第二代”具有良好抗冲刷能力的多孔陶瓷过滤器。2019年,刘静静等人首次报道了以碳化稻壳为成孔剂和硅源制备细长莫来石增强多孔氧化铝陶瓷的简便方法。采用25wt%碳化稻壳制备了孔隙率为74.3%的高性能氧化铝多孔陶瓷,其导热系数相对较低,为0.189W/(m·K),超高抗压强度为45MPa,其综合性能远优于现有陶瓷材料。


3多孔氧化铝陶瓷的应用


多孔氧化铝陶瓷因其优异的特性具有广阔的应用前景。


3.1催化剂载体材料


多孔氧化铝陶瓷由于具有优异的耐热性、高硬度和优异的化学稳定性,被认为是理想的催化剂载体,并大量应用在工业生产中。


 


多孔氧化铝陶瓷除了可以作为汽车尾气净化催化剂载体,在生物领域,也常被作为蛋白质或细胞的载体,因其与生物体本身不产生排斥,并且不易污染或诱导蛋白质或细胞发生变性。一般医学工业、化学工业、食品工业等会优先选用孔径低于0.1μm的多孔氧化铝陶瓷作为固定酶用载体。


3.2传感器材料


多孔氧化铝陶瓷可被用作湿度传感器,其工作原理在于空气中夹杂的水分吸附到多孔氧化铝陶瓷表面会引起陶瓷本身电导的变化,因此空气湿度越大,多孔氧化铝陶瓷吸附的水层则越厚,传感器的电导也将越大,因此可以根据材料电导的大小来推断周围环境的湿度。


3.3熔融金属过滤


多孔氧化铝陶瓷材料的耐高温性和耐腐蚀性使其即使在温度高达1000℃以上的恶劣环境下也可以持续工作很长时间。因此多孔氧化铝陶瓷常被制备成陶瓷过滤网,应用于铁、铝等熔融金属液的过滤。而多孔氧化铝陶瓷材料在工作中除了能保证金属熔融液体中的杂质被大幅度过滤的同时,其优良的高温化学稳定性和耐腐蚀性使其自身不受杂质与金属熔融液体的污染,得以被重复利用,是一种性能优良的绿色环保材料。


在实际生产应用中,多孔氧化铝陶瓷作为过滤网过滤钢铁熔融液,不但能够滤去钢水中杂质以及氮氧化合物等,同时可以大大提高钢铁本身的内在性能。国内外开发的多孔氧化铝陶瓷过滤器件按照不同结构种类可划分为颗粒形状、网结构型、芯型、蜂窝状和泡沫等。


3.4液体过滤


利用多孔氧化铝陶瓷气孔率高的特点,可将多孔氧化铝陶瓷制备成液体过滤器件。在当今技术手段的支持下,多孔氧化铝陶瓷在一定程度上已经可以实现孔径可控,可以根据现实需要将其制备成孔径为几微米到几十微米不同的过滤器件,由于过滤水中的杂质、重金属离子、细菌、微生物等,对水可以起到抗菌、杀毒的效果。


3.5吸音材料


多孔氧化铝陶瓷由于其内部具有大量孔径微小的空隙及孔隙,空隙及孔隙中的空气分子会对进入材料的声波产生粘滞阻力并带有摩擦作用,使声波中的部分能量转化为热能而被吸收,从而达到声音减少的效果。而被作为吸音材料应用的多孔氧化铝陶瓷材料的气孔孔径一般要求在20μm-150μm,孔隙率需要达到60%以上。其易于清洗再生、耐高温、耐腐蚀、比重小的优良性能使之在现代高层建筑、隧道、地铁等防火要求极高的场合以及一些噪音比较大的动力机械设备中发挥重大作用。


3.6隔热耐火材料


多孔氧化铝陶瓷中的闭合孔隙有利于削弱热量传递时热辐射、热对流和热传导的能力,从而使陶瓷材料具有较低的热传导率、较小的比热以及高抗热震性等。而这些优良的热学性能使其可以被制备成一种理想的隔热耐火材料应用于各类高温工况中。目前工业中常用的隔热耐火材料多为氧化铝基、氧化锆基、碳化硅基等,使用温度基本维持在1600℃,而多孔氧化铝陶瓷耐火砖是目前工业窑炉和高温炉最常用的内衬材料。


3.7热交换器


多孔氧化铝陶瓷的高孔隙率使其具有较大的热交换面积,常被作为节能材料应用在热工行业中。例如在轧钢加热炉中,将多孔氧化铝陶瓷安置在钢坯加热炉的烟道口,炉内的高温气体可以通过多孔氧化铝陶瓷进入烟道,当多孔氧化铝陶瓷的温度接近炉内温度时,多孔氧化铝陶瓷会出现反馈作用,利用其优良的热辐射特性反向向炉内辐射热量,部分补偿了炉内向烟道口散失的热量。通过这种热交换作用,可以增加30%的节能效果,使整体热效率得到提高。


3.8生物工程材料


多孔氧化铝陶瓷可以被用作固体酶载体,有利于生化反应速率的提升。山东铝研究院制备的多孔氧化铝陶瓷,在用作固体酶载体时,可使固定酶活达到每克氧化铝具有8000-1000个单位,大大突破了最低要求每克氧化铝7000个单位的固定酶活。


 


近些年来,多孔氧化铝陶瓷骨修复材料取得了相当可观的发展,使用多孔氧化铝陶瓷进行骨骼修复时,生物体内的细胞、组织等会生长进入陶瓷材料孔隙内,经过一定时间后,氧化铝陶瓷材料可以被消化吸收而被新生骨制质替代。多孔氧化铝陶瓷用作牙托连接材料时,由于树脂可以进入材料的孔隙内部,增大了接触面积,使得牙齿可以更好的固定在陶瓷材料上。


3.9其他应用


除了上述应用外,多孔陶瓷还被用作光触媒载体。光触媒是一种纳米级金属氧化材料(如二氧化钛等),将它涂覆在多孔陶瓷材料表面后,当光触媒材料受到光作用后,会产生催化氧化降解功能,可以有效降解空气中的有毒有害气体,还有杀菌除菌功效。对比传统常用的载体材料,如活性炭毡、活性炭海绵、铝蜂窝、金属丝网等,多孔陶瓷材料对光触媒材料有更好的附着力,使其不易脱落,增长使用寿命。此外多孔陶瓷材料可以用于辐射活化,如金宗哲等采用稀土废料制备微米级多孔陶瓷,利用引入的稀土元素具有的辐射作用,可以对水或其他物质起到活化作用,达到节能减废的目的。


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.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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