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泡沫陶瓷,泡沫陶瓷制作方法
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泡沫陶瓷

2018-06-17      阅读:
泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代,是一种具有高温特性的多孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等,气孔率在20%~95%之间,使用温度为常温~1600℃。
  泡沫陶瓷一般可以分为两类,即开孔(网状)陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料,这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中,则称之为开孔陶瓷材料,其孔隙是相互连通的;如果存在固体壁面,则泡沫体称为闭孔陶瓷材料,其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔。但大部分泡沫陶瓷既存在开孔孔隙又存在少量闭孔孔隙。一般来说孔隙的直径小于2nm的为微孔材料;孔隙在2~50nm之间的为介孔材料;孔隙在50nm以上的为宏孔材料。
  自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土等陶瓷料浆成功研制出泡沫陶瓷,用于铝合金铸造过滤之后,英、日、德、瑞士等国家竞相开展了研究,生产工艺日益先进,技术装备越来越向机械化、自动化发展,已研制出多种材质,适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器,如A12O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等高温泡沫陶瓷,有的还加入了一定的矿物,如莫来石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等,产品已系列化、标准化,形成了一个新兴产业, 其分类如表所示。我国在20世纪80年代初开展泡沫陶瓷研究工作。
  近20年来,先后有十几家科研机构和厂家报道了泡沫陶瓷制品的研究。但是我国的泡沫陶瓷从整体技术水平上与国外相比还有一定的差距。泡沫陶瓷是具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体,其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海泡沫陶瓷的分类材料类型 骨料 耐蚀性 温度(℃) 高硅质硅酸盐材料 瓷渣 耐水性,耐酸性 700 铝硅酸盐材料 粘土熟料 耐弱碱,耐酸性 1 000 刚玉金刚砂材料 电熔刚玉 耐水性,耐酸性 1 600 硅藻土质 粘土 耐水性,耐酸性 低温 绵体。由于它具有气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能,可广泛应用于热交换材料,布气材料,汽车尾气装置,净化冶金工业过滤熔融态金属,热能回收,轻工喷涂行业,工业污水处理,隔热隔音材料,用作化学催化剂载体,电解隔膜及分离分散元件等。
  近年来,多孔陶瓷的应用领域又扩展到航空领域、电子领域、医用材料领域及生物化学领域等。多孔陶瓷的广泛应用已引起了全球材料界的高度重视,因此,制备高强度、孔径均匀、性能稳定、高度有序的泡沫陶瓷体,拓宽和开发泡沫陶瓷在国内各行业中的应用,无疑是十分必要的。 
1 传统制备方法
  1.1 发泡法采用发泡反应的方法,可以制备形状复杂的泡沫陶瓷制品,以满足一些特殊场合的应用;在陶瓷粉料中加入适当的陶瓷纤维,可改善这一工艺,有效增加坯体在烧结过程中的强度,避免粉化和塌陷。
  1.2 溶胶凝胶法溶胶凝胶法主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料,本方法经改进后也可以制备高规整度泡沫陶瓷材料。运用溶胶凝胶技术制备泡沫材料,在溶胶向凝胶的转化过程中,体系的粘度迅速增加,从而稳定了前期产生的气泡,有利于发泡 。 
  1.3 添加造孔剂法通过在陶瓷配料中添加造孔剂,利用造孔剂在坯体中占据一定的空间,然后经过烧结,造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫陶瓷 。造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫陶瓷材料气孔的形状和大小。其成型方法主要有模压、挤压、等静压、轧制、注射和粉浆浇注等。利用这种方法可以制得形状复杂、气孔结构各异的材料,但气孔分布的均匀性较差。 
  1.4 有机前驱体浸渍法目前泡沫陶瓷最理想的制备方法是有机前驱体浸渍法,其工艺流程如图所示。用此种成型方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域广泛应用,取得了较为明显的效果。进一步控制浆料性能,适当优化无机粘结剂体系,并严格控制浆料浸渍等工艺过程,可以提高泡沫陶瓷制品的性能。陶瓷粉料溶剂、添加剂->浆料制备有机泡沫体选择―>预处理 ==>浸渍处理->除去多余浆料->干燥->排除有机泡沫->烧成但是有机前驱体浸渍法工艺存在一个明显的缺陷,即制品的孔隙结构,尤其是孔径取决于所选有机泡沫体的孔隙结构和孔径大小。而目前所选用的有机泡沫体的网眼尺寸是有限的,制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径和结构。朱新文等采用三维网状有机泡沫为载体,先用浸渍工艺制备出高孔隙率且几乎没有堵孔的网眼坯子,经排塑、预烧处理获得具有一定强度的预制体。预制体的孔棱呈疏松多孔结构,很好地解决了这个问题。 
泡沫陶瓷
2 新兴工艺
  2.1 凝胶注模工艺美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺(Gel-casting),它是一种被广泛应用的新型成型方法。这种新的成型技术采用非孔模具,利用料浆内部或少量添加剂的化学反应使陶瓷料浆原位凝固形成坯体,获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯,从而显著提高材料的可*性。Gel-casting工艺可以使悬浮体泡沫化,而且能使液体泡沫原位聚合固化。作为制备多孔陶瓷的一种新型方法,悬浮体泡沫化是最经济的,原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构,强度较高。 
  2.2 自蔓延高温合成工艺自蔓延高温合成(Self-propagatingHigh-tempera-tureSynthesis,SHS)方法的概念是由前苏联科学家A.G.Mazhanov在1967年首先提出来的。SHS的本质是一种高放热无机化学反应,其基本反应过程是:向体系提供必要能量(点火),诱发体系局部产生化学反应,此后,这一化学反应过程在自身放出的高热量的支持下继续进行,最后将燃烧(反应)波蔓延到整个体系,从而制备出所需的陶瓷材料。材料的SHS技术以其高效、节能、经济和所得材料的良好性能特点而倍受重视。另外,SHS反应产物通常具有很高的孔隙率,用这一特点可用来制备具有多孔连续网络结构的陶瓷材料,通过添加造孔剂可进一步提高产物的连通开放孔隙率。此外,还有诸如泡沫前体反应法、有机泡沫堆积法、颗粒堆积工艺、水热-热静压工艺、微波加热工艺、分相滤出法、固-气共晶法、木材热解构架法等泡沫陶瓷制备方法。 
3 泡沫陶瓷的应用
  泡沫陶瓷的应用开始于19世纪70年代,当时仅被用作铀提纯材料和细菌过滤材料。随着泡沫陶瓷使用范围的不断扩大,其应用领域也逐渐扩大,由过滤、热工等领域逐渐扩展到隔热、吸音、电子、光电、传感、环境生物及化学领域。 
  3.1 微孔膜陶瓷分离膜所具有的耐酸碱、耐侵蚀、耐高温、抗老化、使用寿命长等优点已被人们所认识,并被开发应用于食品工业、生物化工、能源工程、环境工程、电子技术等许多领域 。随着材料科学的发展,纳米级多孔无机膜的制备和应用成为人们目前研究的热点。 
  3.2 生物材料目前很多科研单位都在致力于多孔羟基磷灰石生物陶瓷材料的研究。用添加造孔剂和制作泡沫陶瓷的方法制备多孔羟基磷灰石生物陶瓷,其相互连通的孔隙有利于组织液的微循环,促进细胞的渗入和生长。目前,研制出的泡沫陶瓷羟基磷灰石人工骨和义眼已经用于临床实验,引起了医学界和材料学界的关注。 
  3.3 食品、卫生行业用泡沫陶瓷材料泡沫陶瓷由于具有耐高温、耐腐蚀和良好的生物、化学特性,因而可用于医药工业中的酶、病毒、疫苗、核酸、蛋白质等生理活性物质的浓缩、分离、精制等。在食品、饮料工业中,特别适用于对色、香、味要求高的饮料及低度酒类的过滤,并可望在啤酒的生产中发挥巨大的作用。 
  3.4 环境材料随着现代工业的发展,各行各业在生产中排放的有害气体和废水也越来越多,如果处理不当,就会严重影响人类的生存环境,所以环境保护成为时代的主题。泡沫陶瓷在汽车催化转化器的应用已经有很长时间。除臭用泡沫陶瓷催化器能使废水中有机溶剂、恶臭气体催化燃烧,达到除臭净化的目的。采用耐高温且有足够强度的抗热震性能的高渗透性泡沫陶瓷可有效除去高温含尘气体。城市污水处理过程中,泡沫陶瓷材料也成为曝气处理所用材料。 
  3.5 隔热材料泡沫陶瓷具有热传导率低、抗热震性能优良等特性,是一种理想的耐热材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖,其材质有Zr02、SiC、镁盐及钙盐等,使用温度高达1600℃,是目前世界上最好的隔热材料,称之为“超级绝热材料”,被应用于航天飞机外壳的隔热及导弹头的强迫发汗等。
 
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