多孔陶瓷完整版本

多孔陶瓷组员：文豪滕贺目录1.多孔陶瓷的概念2.多孔陶瓷的性能特点3.多孔陶瓷的生产工艺4.多孔陶瓷的应用5.多孔陶瓷的发展状况及存在缺陷1.多孔陶瓷的概念

多孔陶瓷材料是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料、经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的一种多孔性陶瓷材料。

根据成孔方法和孔隙结构，多孔陶瓷可以分为以下3类：（1）粒状陶瓷气孔率30%～50%（2）蜂窝陶瓷气孔率70%（3）泡沫陶瓷气孔率80%～90%2.多孔陶瓷的结构与性能特征多孔陶瓷最大的结构特征就是多孔性。因制造工艺不同多孔陶瓷的孔结构主要有三种类型。(1)直通气孔

气孔直线贯通,相互之间没有连通或连通较少,如蜂窝陶瓷等用模具挤制形成的气孔;(2)闭气孔

气孔互不相通,相互孤立,如发泡法形成而没有破裂贯通的气孔;(3)开气孔

气孔相互贯通,且与外界连通,极大多数的开气孔都是弯弯曲曲的，如颗粒烧结法、添加造孔剂法形成的气孔。多孔陶瓷的性能特征

多孔陶瓷的孔结构特征与陶瓷本身的优异性能结合,使其具有均匀的透过性、发达的比表面积、低密度、低热导率、低热容以及优良的耐高温、耐磨损、耐气候性、抗腐蚀性和良好的刚度、一定的机械强度等特性。这些性能使多孔陶瓷成为发展迅速,应用广泛,前景广阔的新型材料。-蜂窝陶瓷多孔材料的性能特征

相对连续介质材料而言,多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点。具体来说,多孔材料一般有如下六种特性:(1)机械性能

应用多孔材料能提高强度和刚度等机械性能,同时降低密度,这样应用在航天、航空业就有一定的优势,据测算,如果将飞机改用多孔材料,在同等性能条件下,飞机重量减小到原来的一半。应用多孔材料另一机械性能的改变是冲击韧性的提高,应用于汽车工业能有效降低交通事故对乘客的创造伤害。多孔材料的性能特征

(2)传播性能

波传播至两种介质的界面上时,会发生反射和折射。由于多孔的存在,增多了反射和折射的可能,同时衍射的可能也增多了。所以多孔材料能起到阻波的作用。利用这种性质,多孔材料可以用作隔音材料、减振材料和抗爆炸冲击的材料(3)光电性能

多孔材料具有独特的光学性能,微孔的多孔硅材料在激光的照射下可以发出可见光,将成为制造新型光电子元件的理想材料。多孔材料的特殊光电性能还可以制出燃料电池的多孔电极,这种电池被认为是下一代汽车最有前途的能源装置。多孔材料的性能特征(4)渗透性

由于人们已经能制造出规则孔型而且排列规律的多孔材料,并且,孔的尺寸和方向已经可以控制。利用这种性能可以制成分子筛,比如高效气体分离膜、可重复使用的特殊过滤装置等。(5)吸附性

由于每种气体或液体分子的直径不同,其运动的自由程度不同,所以不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力就不同。可以利用这种性质制作出用于空气或水净化的高效气体或液体分离膜,这种分离膜甚至还可重复使用。(6)化学性能

多孔材料由于密度的变小,一般材料的活性都将增加。基于具有分子识别功能的多孔材料而产生的人造酶,能大大提高催化反应速度。多孔陶瓷的性能特征(1)气孔率高

多孔陶瓷的重要特征是具有中较多的均匀可控的气孔。气孔有开口气孔和闭口气孔之分，开口气孔具有过滤、吸收、吸附、消除回声等作用，而闭口气孔则有利于阻隔热量、声音以及液体与固体微粒传递。(2)强度高

多孔陶瓷材料一般由金属氧化物、二氧化硅、碳化硅等经过高温煅烧而成，这些材料本身具有较高的强度，煅烧过程中原料颗粒边界部分发生融化而粘结，形成了具有较高强度的陶瓷。多孔陶瓷的性能特征(3)物理和化学性质稳定

多孔陶瓷材料可以耐酸、碱腐蚀，也能够承受高温、高压，自身洁净状态好，不会造成二次污染，是一种绿色环保的功能材料。(4)过滤精度高，再生性能好

用作过滤材料的多孔陶瓷材料具有较窄的孔径分布范围和较高的气孔率与比表面积，被过滤物与陶瓷材料充分接触，其中的悬浮物、胶体物及微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部，过滤效果良好。多孔陶瓷过滤材料经过一段时间的使用后，用气体或者液体进行反冲洗，即可恢复原有的过滤能力。多孔陶瓷的孔隙形成机理

多孔陶瓷的孔隙结构通常是由颗粒堆积形成的空腔,坯体中含有大量可燃物或者可分解物形成的空隙,坯体形成过程中机械发泡形成的空隙以及由于坯体成形过程中引入的有机前驱体燃烧形成的孔隙。一般采用骨料颗粒堆积法和前驱体燃尽法均可以制得较高的开口气孔的多孔陶瓷制品;而采用可燃物或分解物在坯体内部形成的气孔大部分为闭口气孔或半开口气孔。多孔陶瓷的材质(1)高硅质硅酸盐材料

主要以硬质瓷渣、耐酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料，具有耐水性、耐酸性，使用温度达700℃。(2)铝硅酸盐材料

以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线石和合成莫来石颗粒为骨料。具有耐酸性和耐弱碱性，使用温度达1000℃。(3)精陶质材料

以多种粘土熟料颗粒与粘土等混合烧结，得到微孔陶瓷材料。(4)硅藻土质材料

主要以精选硅藻土为原料，加粘土烧结而成。用于精滤水和酸性介质。多孔陶瓷的材质(5)纯炭质材料

以低灰分煤或石油沥青焦颗粒为原料，或加入部分石墨，用稀焦油粘结烧制而成，用于耐水、冷热强酸、冷热强碱介质以及空气的消毒和过滤等。(6)刚玉和金刚砂材料

以不同型号的电熔刚玉和碳化硅颗粒为骨料，具有耐强酸、耐高温的特性(7)堇青石、钛酸铝材料

特点是热膨胀系数小，因而广泛用于热冲击环境。3.多孔陶瓷制备方法概述

目前生产多孔陶瓷的方法有：部分烧结法，发泡法，添加造孔剂法，有机泡沫浸渍法，溶胶-凝胶法，冷冻干燥法，模版法，凝胶注模法，挤压成型法等等。部分烧结法是制备多孔陶瓷最常规的方法之一，结合放电等离子烧结和原位化学合成可以制备出尺寸分布范围窄，孔分布均匀，力学性能优异的多孔陶瓷。添加造孔剂法的优点是可以通过造孔剂的形状和尺寸控制孔的形状和尺寸，但热解过程通常产生大量气体甚至伴随一些有害的副产品，采用冷冻干燥法可以减少和消除有害气体的排放，获得具备独特的孔结构的多孔陶瓷。3.多孔陶瓷的制备方法模版法广泛应用于高气孔率和互连孔结构多孔陶瓷得制备，最常用的模版是多孔聚氨酯海绵，但由于海绵热解过程容易在骨架上形成裂纹，导致材料的机械可靠性大大降低，因此要采取各种措施避免裂纹出现。直接发泡法成本较低，生产工艺简单，可制备出高气孔率的多孔陶瓷，但通常需要添加表面活性剂或采用烷烃乳液蒸发等方法避免形成大气孔。重结晶法主要用以制备碳化硅多孔陶瓷，产品的纯度较高，但烧结温度太高，能源消耗量大。（1）挤压成型法挤压是一种塑性变形工艺，可分为热挤压和冷挤压。一般是在压力机上完成，使工件产生塑性变形，达到所需形状的一种工艺方法。其过程是将制备好的泥条通过一种预先设计好的具有蜂窝网格结构的模具挤出成形，经过烧结后就可以得到典型的多孔陶瓷。

现在用于汽车尾气净化的蜂窝

状陶瓷，它是将制备好的泥条通过

一种预先设计好的具有蜂窝网格结

构的模具挤出成型，经过烧结后得

到典型的多孔陶瓷。这种工艺的优

点在于，可根据实际需要对孔形状

和大小进行精确设计;缺点是不能成

型复杂孔道结构和孔尺寸较小的材

料，同时对挤出物料的塑性有较高

要求。

挤压成型法工艺流程：原

料合成→混合练混→挤出成形

→干燥→烧成→制品。

在生产过程中,核心工

序是挤出成形,同时挤出成形模

具又是挤出成形的核心技术。

（2）添加造孔剂工艺法

该工艺是通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用这些造孔剂在坯体中占据一定的空间，高温燃尽或挥发后在陶瓷体中留下孔隙。利用这种工艺可以制备形状复杂、气孔结构各异的多孔陶瓷制品。该工艺与普通的陶瓷相比，关键在于造孔剂的种类和选择，其次是粒径的大小。造孔剂可以分为有机和无机两类。添加造孔剂法工艺的优点在于:气孔率的大小和气孔形状可以调节;工艺简单;不足之处在于:气孔分布均匀性差，不适合制取气孔率高的制品。

（3）冷冻干燥技术

冷冻干燥技术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。由于该工艺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。

（4）溶胶-凝胶工艺法

溶胶-凝胶方法可以制备纳米级的微孔陶瓷，它是利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理过程中留下小气孔，形成可控的多孔材料。基本过程是将金属醇盐溶于低级醇中，缓慢地滴入水进行水解反应，得到相应金属氧化物的溶胶，调节该溶胶的pH值，纳米级的金属氧化物颗粒就会产生聚集。溶胶-凝胶法主要用来制备微孔陶瓷材料，特别是微孔陶瓷薄膜。该工艺制得多孔陶瓷孔径分布范围极为狭窄，其孔径大小可通过溶液组成和热处理过程的调节来控制，是目前最陶瓷滤膜的主要生产工艺。

（5)自蔓延高温合成(SHS)工艺

燃烧合成,又称自蔓延高温合成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。(6)水热－热静压工艺

该工艺通过水作为压力传递介质制备各种孔径多孔陶瓷。其简单制备步骤为：硅凝胶和10%(质量百分数)的水混合，置于高压釜中(压力10—15MPa，温度300℃)，通过水蒸汽的挥发而制成多孔陶瓷。水热－热静压工艺中，反应时间一般为10—180min。在25MPa下处理60min，制得的多孔陶瓷材料体积密度为0.88g/cm，孔体积为0.59cm/g，孔尺寸分布范围为30~50nm，抗压强度高达80MPa。多孔陶瓷水热－热静压工艺具有以下优点：制得的多孔陶瓷材料抗压强度高、性能稳定、孔径分布范围广。(7)组织遗传制备工艺

该工艺是利用植物材质(木材、竹子等)的天然多孔组织，将其在800~1000℃下和惰性气体环境中热解碳化得到与木材多孔结构几乎完全相同的碳预制体。然后以碳预制体为模板，1600℃时液态硅蒸发形成的硅蒸汽渗入模板与碳化合形成多孔碳化硅陶瓷。该工艺过程简单，成本低廉，但制品的孔结构主要决定于材质本身的组织，可设计性较差，同时SiC的转化率相对较低。也可将木材在真空中浸渍渗入树脂，之后在1200℃左右热解，冷却后得到一定孔隙率的木材陶瓷。4.多孔陶瓷的应用多孔陶瓷材料目前其应用主要集中在以下几方面：(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。

(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，目前世界上90%的车用催化器载体是多孔陶瓷载体。

(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。

(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。多孔的羟基磷灰石被应用于制造人造齿科材料、人造骨等。

(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。

（6）超纯水的制备和除菌

用硅藻土或粘土熟料质制成的多孔陶瓷滤芯，已用于饮水、石油油井注水用水等的除菌和净化，还用于注射液的消毒过滤，以及电子工业、医药工业、光学透镜研磨用的超纯水的净化等。

（7）废水处理

用多孔陶瓷过滤工业废水和生活污水已成为废水处理和净化的重要发展方向，适用各种污染废水，效率高，成本低。

（8）腐蚀性流体过滤

多孔陶瓷的强耐腐蚀性使其在过滤酸性、碱性等腐蚀性液体或气体时显示出特有的优势。（9）熔融金属过滤

经多孔陶瓷的过滤能除去熔融金属中大部分的夹杂物和气体等杂质，提高金属材料的强度等内在质量。特别在电子元件、电线用金属和精密铸造用金属方面尤其重要。

（10）吸音材料

多孔陶瓷具有连通开气孔，当声波传入时，在很小的气孔内受力振荡。振动受到的摩擦和阻碍，使声波传播受到抑制，导致声音衰减，从而起到吸音的作用。是一种消除噪声公害，益于人们身心健康的好材料。作为吸音材料的多孔陶瓷要求较小的孔径(20～150/um)，相当高的气孔率(>60%)及较高的机械强度。陶瓷所具有的优良的耐火性和耐候性，使它可用于变压器、道路、桥梁等的隔音。现在已在高层建筑、隧道、地铁等防火要求极高的场合及电视发射中心、影剧院等有较高隔音要求的场合使用，效果很好。

（11）隐身材料

多孔陶瓷吸波涂料是一种研制较多的吸波材料，它比铁氧体、复合金属粉末等吸波涂料的密度低、吸波性能好，而且还可以有效地减弱红外辐射信号。另外，多孔陶瓷具有良好的力学性能、热物理性能和化学稳定性，能满足隐身的要求。著名的F-117隐身飞机的尾喷管就使用了多孔陶瓷基吸波材料达到飞机隐身的目的。

（12）生物工程材料

在传统生物陶瓷基础上研究开发的多孔生物陶瓷，由于生物相容性好，理化性能稳定，无毒副作用的特点而被用于制作生物材料。当用于修补骨缺损部位时，新生物将逐渐进入多孔陶瓷珊瑚状孔隙内，慢慢将多孔陶瓷吸收，最终，这种多孔陶瓷将由新生骨制质取代。与传统生物陶瓷相比，生物体内不会残留任何异物，因而不易感染。国外利用多孔生物陶瓷修复头盖骨、大腿骨、脊椎骨、人造齿根等临床实验均已获成功。