多孔陶瓷12.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流多孔陶瓷12.精品文档.无机材料物理性能结课论文多孔陶瓷的制备与应用院 别资源与材料学院专 业材料科学与工程专业学 号8100138姓 名王娟2013年6月2日多孔陶瓷的制备与应用摘 要多孔陶瓷材料是一类重要的陶瓷材料，由于其特有的三维多孔结构使其具有高孔隙率、良好的化学稳定性、小体积密度及低导热性等特点，从而被广泛应用于众多领域。本文介绍了多孔陶瓷材料的几种传统制备方法和几种新工艺， 同时阐述了各种制备方法的特点，并介绍了多孔陶瓷的应用， 指出了今后多孔陶瓷的发展趋势和发展前景。关键词：多孔陶瓷，制备，新工艺，应用目录1 前言12 多孔陶瓷

2、的制备方法12.1 多孔陶瓷传统的制备工艺12.1.1 挤压成型22.1.2 添加造孔剂22.1.3 有机泡沫浸渍法22.1.4 发泡法32.1.5 颗粒堆积工艺32.2 多孔陶瓷新的制备工艺32.2.1 离子交换工艺32.2.2 冷冻干燥工艺42.2.3 溶胶-凝胶工艺42.2.4 利用纤维制得多孔结构工艺42.2.5 自蔓延高温合成(SHS) 工艺53 多孔陶瓷的应用53.1 建筑材料53.2 催化剂载体53.3 过滤分离器63.4 生物医学材料63.5 航天透波材料64 结语61 前言多孔陶瓷又称为气孔功能陶瓷，它是指具有一定尺寸和数量的孔隙结构的新型陶瓷材料。在材料成形与高温烧结过程中

3、，内部形成大量彼此相通或闭合的气孔1.2。多孔陶瓷的种类繁多，其分类也有多种方法。按孔径大小分类可分为：微孔陶瓷(孔径小于2nm)、介孔陶瓷(孔径介于250nm)和宏孔陶瓷(孔径大于50nm)3类3；按孔的形状结构分类可分为：粒状陶瓷烧结体、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷3种；按孔隙之间关系分类可分为：闭气孔和开气孔2种。多孔陶瓷具有低密度、高渗透率、抗腐蚀、良好的隔热性能、耐高温和使用寿命长等优点， 是一种新型功能材料。多孔陶瓷具有均匀分布的微孔、体积密度小、比表面积大、对液体和气体介质有选择的透过性、较好的能量吸收或阻压特性以及优良热、电、磁、光、化学等功能。因其本身独有的耐高温、耐腐蚀等优异特性，使

4、多孔陶瓷在熔融金属过滤、催化剂载体、汽车尾气净化和吸音降噪等传统领域以及传感器、生物材料、航天材料等新兴领域得到广泛应用。2 多孔陶瓷的制备方法多孔陶瓷材料的特性主要指标为气孔率、孔径大小与分布、平均孔径和渗透能力。但在多孔陶瓷的研制过程中，要控制孔径的大小、形状、数量和气孔的均匀分布则有一定的难度。选择适当的方法和工艺是制备多孔陶瓷的重要环节。2.1 多孔陶瓷传统的制备工艺目前广泛应用的多孔陶瓷大部分由传统方法制备的，这些制备方法比较成熟。多孔陶瓷传统的制备方法有挤压成型，颗粒堆积法，发泡法，有机泡沫浸渍法，添加造孔剂等，下面将简要的介绍几种方法。2.1.1 挤压成型挤出成型简要工艺流程为：

5、配料混合挤压成形干燥烧结成品该工艺制成的多孔陶瓷气孔尺寸、形状、孔隙率均匀，适宜批量生产，但该工艺的缺点是难以制得孔径小于1mm的制品4。在生产过程中，挤出成型模具的制作是核心技术。该工艺制备的多孔陶瓷适于用作汽车尾气净化器的载体。2.1.2 添加造孔剂 该工艺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，造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷。造孔剂颗粒的形状、大小决定了多孔陶瓷材料气孔的形状和大小。虽然在普通陶瓷制备工艺中，通过调整烧结温度和时间，可以控制烧结制品的气孔率和强度，但对于多孔陶瓷，烧结温度太高会使部分气孔封闭或消失，而烧结温度太低又无法满足强度需求

6、。采用添加造孔剂的方法则可避免普通陶瓷制备工艺的缺点，使烧结制品既具有高的气孔率又有较好的强度。利用该工艺可以制得形状复杂、气孔结构各异的多孔陶瓷制品，但其缺点是制品气孔率一般低于50%，且气孔分布均匀性差。与普通的陶瓷工艺相比，这种工艺关键在于造孔剂种类和用量的选择5。2.1.3 有机泡沫浸渍法该工艺利用有机泡沫体具有开孔的三维网状骨架结构，将制好的料浆均匀地浸渍到有机泡沫体中，经干燥后烧掉有机泡沫载体，留下泡沫的网格化结构。整个工艺与陶瓷浆料的配方关系很大，即要求料浆与有机物泡沫具有很好的相容性，同时又要具备优良的结构性能，以使制品具有高强度。利用该工艺能制备出高强度、高气孔率的制品，但其

7、制品形状易受限制且密度不易控制。该工艺关键步骤在于有机泡沫体浸渍浆料的成型。此外，泡沫必须有一定的亲水性和足够的回弹性，使其能够与陶瓷料浆紧密结合且在多余料浆挤出后能恢复原状。2.1.4 发泡法发泡工艺是在陶瓷组分中添加有机或无机化学物质，在处理期间形成挥发性气产生泡沫，经干燥和烧成制成多孔陶瓷，包括网眼型和泡沫型2种， 用作发泡剂的化学物质主要有：碳化钙、氢氧化钙、硫化物、硫酸盐、双氧水和聚氨脂塑料等。发泡工艺与有机泡沫浸渍工艺相比，利用发泡工艺可以得到高孔隙率(40%90% )、高强度的多孔陶瓷材料，孔径尺寸在10Lm2mm，其优点是容易控制制品的形状、成分和密度，特别适合于闭气孔陶瓷材料

8、的制造，其缺点是对原料要求较高，工艺上不易控制6。 2.1.5 颗粒堆积工艺颗粒堆积工艺是在骨料中加入相同组分的微细颗粒，利用微细颗粒易于烧结的特点，在高温状况下产生液相，使骨料(大颗粒)连接起来。孔径的大小与骨料粒径成正比，骨料粒径越大，形成的多孔陶瓷平均孔径就越大，呈线性关系。骨料颗粒尺寸越均匀，产生的气孔分布也越均匀。另外添加剂的含量和种类以及烧成温度对微孔体的分布和孔径大小有直接的影响。2.2 多孔陶瓷新的制备工艺科学技术的发展对多孔陶瓷提出了新的要求更高的孔隙率、更大的比表面积、合理的孔径分布、低的成本以及各种新的功能。近年来发展起来的新型工艺结合各种其他陶瓷材料制备方法，如自蔓延高

9、温合成(SHS) 工艺、冷冻干燥工艺、孔梯度制备方法、离子交换法、溶胶-凝胶工艺、利用纤维制得多孔结构等，下面主要介绍几种制备工艺。2.2.1 离子交换工艺层状硅酸纳晶体与十八烷基三甲基溴化铵在水中充分混合，硅酸盐层间的阳离子与铵盐阳离子将自发地进行交换，由于铵盐离子体积较大，硅酸盐的片层结构会因铵盐的引入而发生弯曲变形，弯曲的片层之间发生缩聚，将有机物包围在片层当中，经高温烧结除去有机物，即形成多孔SiO2。2.2.2 冷冻干燥工艺冷冻干燥工艺可以制备具有复杂孔洞结构的多孔陶瓷。当陶瓷浆料冷冻凝固时，同时控制晶体冰的生长方向；在低压的条件下进行干燥处理，此时冰升华直接变成气体；再将所得的坯体

10、进行烧结。从而得到具有内部孔洞定向排列的多孔陶瓷。通过控制起始浆料浓度和烧结时间可以控制孔的结构。Fukasawa 等7用冷冻干燥工艺制备出单峰孔(10m) 和双峰孔(10m和0.1m) 的多孔A12O3，其孔径分布和微观结构受起始料浆浓度、烧结时间、冷冻和烧结温度的影响。由于成型过程中不使用有机物造孔剂，不产生污染，具有环境友好性，在当今可持续发展的经济环境下具有良好的应用前景。2.2.3 溶胶-凝胶工艺该方法是制造多孔陶瓷的新工艺，利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理等过程中留下的小气孔，形成可控多孔结构。制备过程是以金属醇盐及其化合物为原料，在一定的介质和催化剂作用下，进行

11、水解缩聚反应，使溶液由溶胶变成凝胶，再经干燥、热处理而得到多孔制品。用Sol- gel 工艺制得的陶瓷膜孔径分布范围极为狭窄，孔径大小可通过调节溶液组成和热处理过程来控制。该工艺已成为无机陶瓷分离膜制备工艺中最为活跃的研究领域。2.2.4 利用纤维制得多孔结构工艺 该方法利用纤维的纺织特性与纤细形态等形成气孔。气孔形成方式有2种：（1）有序编织、排列形成的。该方法又可具体分为2种：（a）将纤维织布（或成纸）折叠成多孔结构，所制多孔陶瓷通常孔径较大，结构类似于挤压成型得到的多孔陶瓷；（b）三维编织8，这种三维编织为制备气孔率、孔径、气孔排列、形状高度可控的多孔陶瓷提供了可能；（2）无序堆积或填充

12、，通常将纤维随意堆放，由于纤维的弹性和细长结构，会互相架桥形成气孔率很高的三维网络结构，将纤维填在一定形状的模具内，可形成相对均匀，具有一定形状的气孔结构，添加粘结剂后，再经高温烧结固化就可得到气孔率很高的多孔陶瓷。2.2.5 自蔓延高温合成(SHS) 工艺这是一种很有特色的方法， 燃烧合成(CombustionSynthesis)， 又称自蔓延高温合成(Self PropagatingHigh Temperature Synthesis， 即SHS) 用燃烧合成技术制备多孔材料的主要过程是放热反应，化学反应释放出来的热量维持反应的自我进行，合成新物质的同时获得了所期望的多孔材料，包括具有一定

13、形状的多孔材料。燃烧合成过程总是伴随着烧结现象，烧结体的孔隙度很高，可以达到50% 左右，甚至更高。SHS 与常规方法相比主要有以下特点和优势： 合成反应过程迅速，能大量节省能源，产品纯度高，工艺相对简单，适合于制备各类无机材料。SHS 存在的主要不足之处是反应快迅速，试样的烧结尺寸难以控制。张小明等9 利用该工艺制备出气孔率为51%，最大孔径为150m 的TiNi 形状记忆合金，具有较好的孔洞连通性和透过性能。3 多孔陶瓷的应用多孔陶瓷材料由于其独特的多孔结构，使其具有热导率低、介电常数低、体积密度小、比表面积高以及具有独特物理和化学性能的表面结构等优点，加之陶瓷材料本身特有的耐高温、化学稳

14、定性好、强度高等特点，给它的应用开拓了广阔的前景。目前其应用主要集中在以下几方面。3.1 建筑材料由于多孔陶瓷具有轻质、不易燃、隔音隔热、加工性能及装饰性能好等特点，在建筑行业获得了广泛的应用。具有闭口气孔的可作为内外墙、地板和天花板贴面、冷库的隔热层，也可用作水上漂浮材料；具有开孔的可作为音乐厅、广播室的贴面吸音材料，利用其粗糙表面还可作为磨具使用8。3.2 催化剂载体由于多孔陶瓷材料具有较高的表面活性和吸附性能， 将催化剂负载于多孔陶瓷材料上，可以有效地增加化学反应的接触面积， 提高反应速率和转化率，从而提高催化效果。据统计10，目前世界上90%的车用催化器载体是多孔陶瓷载体，它具有良好的

15、吸附能力和活性，被覆催化剂后，反应流体经过多孔陶瓷孔道将大大提高转换效率和反应速率，同时还具有优良的抗热震性和化学腐蚀性。其中应用最为广泛的是蜂窝状的堇青石陶瓷载体。3.3 过滤分离器由于多孔陶瓷材料具有较高的气孔率，当滤液通过时，其中的悬浮物、胶体及微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部，从来达到了分离净化的目的。主要包括：熔融金属过滤，除去液态金属中杂物和气体；精密过滤，如制糖、酿造以及自来水净化；气体分离和过滤，除去放射性污染物；流态化隔板和电解槽隔板等。3.4 生物医学材料多孔生物陶瓷具有良好的生物相容性、良好的骨诱导作用，稳定的理化性能，无毒副作用的特点而被用于制作生物医用材料。

16、多孔的羟基磷灰石被应用于制造人造齿科材料、人造骨等。3.5 航天透波材料闭孔结构的多孔陶瓷具有低介电损耗，低密度以及在单位厚度上对雷达波的吸收率较其它陶瓷材料低等特性，使其在要求高透波的航天材料方面具有良好的应用潜力。4 结语多孔陶瓷材料凭借其优越的性能已经广泛应用于环保、能源、化工等领域，近年来发展起来的各种陶瓷材料制备方法为制备结构可控、物理和化学性能优良的陶瓷材料提供了基础，拓展了多孔陶瓷的研究思路和应用领域。随着其应用范围的扩大，对多孔陶瓷材料的性能要求也越来越高，特别在孔径、形状的精确控制、热性能与机械性能的提高等方面提出了新的挑战。相信在不久的未来，通过科研工作者的不断努力得到改善

17、，多孔陶瓷材料的研究与应用前景将更加广阔。参考文献1 杨涵崧，朱永长，李慕勤.等多孔陶瓷材料的研究现状与进展.佳木斯大学学报（自然科学版），2005，23(1)：88-91.2 崔 霞，赵昆渝，李智东，等.添加剂对多孔陶瓷显气孔率的影响云南冶金，2005，34(3)：50-51.3 朱小龙、苏雪筠.多孔陶瓷材料J.中国陶瓷 ， 2000，36(4)： 36-39.4 翟凤瑞，多孔陶瓷材料及其应用前景，红河学院学报，2005，3(3)：22-24.5 杨刚宾，蔡序珩，乔冠军，等.多孔陶瓷的制备技术与进展.河南科技大学学报(自然科学版)，2004，25(2)：9-102.6 李湘洲，刘昊宇，多孔陶

18、瓷的研究现状与应用.陶瓷，2005(5)：47-49.7 Fukasawa T. Ando M. Synthesis of porous ceramics with complex pore structure by freeze-dry processingJ.J Am Ceram Soc.2001，84(1)：230 232.8 刘红华，多孔陶瓷的制备及应用进展，山东陶瓷，2005，28（3）：18-20.9 张小明，殷为宏，王学成.SHS 法制备高孔隙度TiNi 合金. 稀有金属材料与工程，2000，29(1)：61 63.10 刘 辉，孙 伟，覃文庆，等.多孔陶瓷材料的应用及发展前景J .矿冶工程， 2003，23(6)： 69-71.