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多孔陶瓷的制備工藝及應用總結

發布時間:2021-09-09 16:15:00

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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多孔陶瓷是一種新型陶瓷材料,也稱為氣孔功能陶瓷,它是成形后經高溫燒成,體內具有大量彼此相通或閉合氣孔的陶瓷材料。多孔陶瓷不僅具有傳統陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高化學穩定性等優點,因其具有大量的氣孔,比表面積大,密度低,可調的孔徑分布,已經被廣泛應用于航空航天、能源、冶金、化工、環保、軍工和醫學等多個領域。


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一、多孔陶瓷的制備工藝

1、傳統制備工藝

(1)添加造孔劑工藝

這種工藝方式主要是根據多孔陶瓷材料的用途以及組分來選擇適宜的造孔劑,將造孔劑加入到陶瓷坯料中,這些造孔劑因為具有熔點高的特點,所以在高溫燒結的過程中會在陶瓷坯料中占據一定的空間,增加氣孔率,而在成型以后,通過水、酸或者堿溶液將其浸出,并且不會殘留在陶瓷材料中,最終形成多孔陶瓷材料。


(2)有機泡沫浸漬工藝

有機泡沫(聚合物)浸漬工藝是1963年發明的。它是采用有機泡沫浸漬陶瓷料漿,干燥后在高溫下燒掉有機泡沫載體而形成孔隙結構,以獲得多孔陶瓷的一種方法。其獨特之處在于它借助于有機泡沫體所具有的開孔三維網狀骨架的特殊結構,將制備好的料漿均勻地涂覆在有機泡沫網狀體上,而燒掉有機泡沫后獲得的孔隙是網眼型的。


(3)發泡工藝

這種制備工藝主要是向陶瓷組分中添加適宜的發泡劑,經過一定的處理形成揮發性氣體、產生泡沫,最終經過干燥和燒成制得多孔陶瓷材料。此種方法能夠更加容易掌控多孔材料的形狀、組成和密度,且還可以制備出小孔徑閉口氣孔材料。但是其也存在一定的缺點,工藝條件不易控制,并且對原料有較高的要求。


(4)擠壓成型工藝

擠壓成型工藝主要是利用模具來制備多孔陶瓷,模具為蜂窩網狀結構,將制備好的泥漿通過模具成型,再進行燒結,即可得到多孔陶瓷。該類工藝的特點就是操作比較簡單,成型快但是蜂窩的網格結構比較單一,主要有三角形以及正方形等常見形式,而對于孔道結構比較復雜或者孔尺寸較小的材料則無法使用。


(5)顆粒堆積工藝

主要是利用骨料與微細顆粒的相互堆積而成,其中骨料與微細顆粒的組成相同,在高溫的狀態下,微細顆粒會產生液相而將骨料連接在一起。這種制備工藝中孔徑的大小與骨料的粒徑成正比,并且骨料顆粒越均勻,成孔也越均勻。在制備過程中,添加劑的含量、種類以及溫度對孔的分布以及大小都會產生影響。


(6)溶膠—凝膠工藝

溶膠—凝膠制備工藝一般用于納米級孔徑、氣孔分布均勻的多孔陶瓷制備中,主要是利用溶膠在凝膠的過程中膠體離子之間由于相互聯接而形成的空間網狀結構,而在這些網狀的空隙中充滿了溶液,在燒成的過程中,這些溶液會被蒸發掉,從而形成許多小孔。


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2、新型制備工藝

(1)利用陶瓷纖維制備多孔陶瓷

用纖維來成型多孔陶瓷主要是利用纖維的紡織特征或纖細形態,而相互架構成三維的孔洞的一種成型方法。利用纖維無序堆積的空隙作為氣孔,細小的纖維作為孔壁,高溫無機粘結劑連接纖維的交接處,制備出高氣孔率 (>90% ),高的比表面積,具有三維貫通氣孔的纖維多孔陶瓷。高孔隙率的纖維多孔陶瓷材料具有優良的保溫隔熱性能、抗熱震性能、過濾性能。日前被廣泛用做高溫隔熱材料及高溫過濾材料。


(2)孔梯度制備方法

孔梯度陶瓷是指孔徑隨厚度作有規律地縮小或增大的陶瓷材料,按孔的分布狀況可分為連續孔梯度陶瓷和階梯狀孔梯度陶瓷??滋荻榷嗫滋沾傻闹苽浞椒ㄖ饕兄驴讋┨荻扰帕蟹?、有機前驅體浸漬法以及沉淀生成法等。


(3)離子交換法

十八烷基三甲基溴化銨在水中與硅酸納晶體混合,銨鹽陽離子自發和硅酸鹽的陽離子實現交換,因為鹽離子體積比較大,當銨鹽離子進入硅酸鹽中,就會使硅酸鹽的片層結構產生形狀的改變,并發生縮聚反應,把有機物包圍在硅酸鹽的片層中,然后經過高溫燒制,多孔陶瓷結構就制作完成了,再通過離子交換工藝制備出來的多孔材料,其表面積和穩定性有待進一步研究,但在催化及吸附方面的發展前景廣闊。


二、多孔陶瓷的應用

1、過濾材料


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微孔陶瓷膜過濾器


多孔陶瓷可根據它的開氣孔率,抗熱震能力與化學穩定性來判斷是否能適合作為過濾材料,一般多孔陶瓷過濾器的孔隙率40%-80%之間,孔隙大小為10—5000μm?,F在有些工廠對廢水,廢液進行處理時采用的就是微孔陶瓷膜過濾器。


2、催化劑載體

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陶瓷載體汽車尾氣凈化器


很多工業生產都用多孔陶瓷來作為催化劑的載體。目前,世界上90%左右的汽車尾氣催化凈化處理器的載體都為多孔陶瓷,蜂窩狀堇青石陶瓷為應用最廣泛的陶瓷載體;燒覆功能膜后,它可將尾氣中的有毒氣體,如CO,NO2,HC和烴類等,轉化成無毒的CO2,N2和H2O,有效地緩解了汽車尾氣給環境帶來的污染。


3、保溫材料


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多孔陶瓷保溫板


多孔陶瓷由于其內部有很多閉氣孔,低導熱率,高熱穩定性,因此多孔陶瓷可用來作為具有優良性能的保溫隔熱型材料。多孔陶瓷的導熱率與其孔隙率呈負相關,孔隙率越高,導熱率越低,但與此同時,其強度也會隨之降低。


4、生物材料


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多孔羥基磷灰石


多孔羥基磷灰石陶瓷有著很好的生物相容性且無毒無副作用,并且這種材料還有較高的強度, 這是目前一種較為理想的骨骼材料,在醫學領域具有著重要的意義。陶瓷與木制品結合,能夠制造出木基陶瓷,木基陶瓷材料有著優良的電磁屏蔽效應,是一種良好的電磁屏蔽材料。木基陶瓷材料還可作為自潤滑材料以及輕質結構材料。


5、吸音材料


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多孔陶瓷吸音板


多孔陶瓷吸音材料具有較好的耐磨性,耐熱性,抗腐蝕性以及良好的抗熱震能力,其三維網狀結構更有利于吸收聲音。但同樣由于其強度韌度較低,應用范圍受到限制,因此多孔陶瓷的增強增韌將是未來繼續研究的方向。


6、航空航天材料


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航空航天材料


多孔陶瓷由于有較好的化學穩定性,抗熱震能力,耐腐蝕性和低導熱率,使其成為運用于飛機以及航天器的一種理想耐熱隔熱的材料。




文章來源:

[1]劉消冰. 多孔陶瓷材料的制備及應用分析;

[2]張文毓. 多孔陶瓷材料的制備與應用進展;

[3]趙明臻等. 多孔陶瓷的制備方法及其應用;

[4]李進等. 多孔陶瓷的制備方法及其應用;

[5]青禾. 粉體網。











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