多孔陶瓷材料制備工藝技術(shù)探索

劉羽飛

（景德鎮(zhèn)陶瓷研究院，景德鎮(zhèn)，333000）

0 引言

關(guān)于多孔陶瓷，還可將其稱為微孔陶瓷、泡沫陶瓷，最初發(fā)展于20世紀(jì)70年代，最開始多孔陶瓷用于細(xì)菌過濾所用材料，但隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，控制材料細(xì)孔結(jié)構(gòu)水平也隨之有了很大的提高，相對于玻璃纖維、金屬等材質(zhì)，孔結(jié)構(gòu)具有可控特征，開口孔隙率也得到有效提升，透過性也更為均勻，具有易再生、熱傳導(dǎo)性低、耐高溫耐腐蝕的應(yīng)用優(yōu)勢，被普遍用于我國環(huán)保、化工、食品等各大領(lǐng)域中，具有重要意義。

1 多孔陶瓷材料特征

1.1 在氣孔率方面

從整體上來看多孔陶瓷的特征，其中最明顯的特征就在于氣孔非常多，且均勻可控。對于氣孔可分為兩種類型，一種為開口氣孔，這類氣孔具有過濾、吸附、消音等各項(xiàng)功能；另一種為閉口氣孔，其作用在于將熱量、聲音等阻隔在外，同時(shí)也可進(jìn)行固液體之間的微粒傳遞。泡沫陶瓷、蜂窩陶瓷以及陶瓷顆粒燒結(jié)體三者在氣孔率上分別為70%-90%、60%、30%-50%，通過上述數(shù)據(jù)能夠明顯看出多孔陶瓷的氣孔率相對比較高。

1.2 在強(qiáng)度方面

對于多孔陶瓷材料制備，主要是由金屬氧化物、碳化硅、二氧化硅等一些化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行高溫?zé)菩纬傻?，因上述制備材料本身?qiáng)度就非常高，在對這些材料進(jìn)行煅燒時(shí)，其中原料顆粒邊界處因煅燒作用出現(xiàn)融化現(xiàn)象，因此發(fā)生粘結(jié)并制備成強(qiáng)度非常高的多孔陶瓷[1]。

1.3 在物理化學(xué)性質(zhì)方面

多孔陶瓷材料具有耐腐蝕、耐酸性的化學(xué)作用，同時(shí)對高溫、高壓也具有非常強(qiáng)的承受能力，且具有非常好的潔凈優(yōu)勢，不會因自身原因造成二次污染問題，迎合當(dāng)前國家大力推行的可持續(xù)、綠色環(huán)保這一發(fā)展理念提出的各項(xiàng)要求，值得大力推廣。

1.4 在過濾性方面

除上述特征之外，多孔陶瓷材料還可作為過濾材料所使用，通過其相對狹小的孔徑分布范圍，以及高氣孔率的優(yōu)勢，促使過濾物充分接觸陶瓷材料后，能夠?qū)腋∥?、微生物、膠體物等一些具有污染性質(zhì)的物質(zhì)阻截于過濾介質(zhì)表面或者內(nèi)部，即可起到一定的過濾作用，所產(chǎn)生過濾成效也非常好。除以上之外，多孔陶瓷材料經(jīng)過長期使用后，借助液體、氣體對其進(jìn)行反沖洗處理，就會恢復(fù)其所具有的過濾這一應(yīng)用功能。

2 多孔陶瓷材料制備工藝技術(shù)

2.1 有機(jī)泡沫浸漬技術(shù)

應(yīng)用有機(jī)泡沫浸漬技術(shù)進(jìn)行多孔陶瓷材料制備，其根本制備工藝原理就是通過有機(jī)泡沫體本身具備的三維網(wǎng)狀骨架這一特殊性的結(jié)構(gòu)形態(tài)，然后通過浸漬有機(jī)泡沫體，放在已經(jīng)做好制備處理后的陶瓷漿料中，在這個過程中泡沫體會逐步將其中多余的漿料控出來并進(jìn)行干燥處理，燒掉有機(jī)泡沫后獲取多孔陶瓷。從整體上來看這種制備工藝技術(shù)在操作上相對比較簡單且方便，整個過程不需要投入復(fù)雜設(shè)備，所需制造成本也非常低廉，通過該制備工藝所獲取的多孔陶瓷中的孔結(jié)構(gòu)具有完全連通的特性，因此比較適用于制備開口氣孔、高氣孔率等類型的多孔陶瓷中[2]。除以上之外，應(yīng)用該制備工藝進(jìn)行多孔陶瓷制備還需要特別注重對有機(jī)泡沫體的選擇，根據(jù)制備需求加入適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑，與此同時(shí)還可特別注意對燒成陶瓷的溫度進(jìn)行有效控制，這樣做的目的在于避免因溫度過高或過低導(dǎo)致制品出現(xiàn)開裂情況，應(yīng)用上述制備的泡沫陶瓷是當(dāng)前最為主要的一種多孔陶瓷。

2.2 溶膠-凝膠工藝

在進(jìn)行多孔陶瓷材料制備時(shí)采用溶膠-凝膠工藝進(jìn)行制備，具體指的是通過在凝膠化這一過程中，其中的膠體粒子不斷堆積一起，且在進(jìn)行凝膠處理、熱處理時(shí)還會產(chǎn)生一些小氣孔，因此也就形成具有可控性特征的多孔結(jié)構(gòu)。上述制備工藝通常應(yīng)用于納米級氣孔使用中，大多情況下都是用于制備微孔陶瓷。從整體上來看溶膠-凝膠這一制備工藝，是當(dāng)前進(jìn)行多孔陶瓷制備中一種新型工藝技術(shù)，相比較于其他類型的工藝技術(shù)具有屬于自身的獨(dú)特優(yōu)勢，將這種制備工藝應(yīng)用于氧化鋁多孔陶瓷制備時(shí)，能夠起到對陶瓷孔徑分布的純度、顯微結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化和改善作用，其中需要特別注意這種制備工藝需要使用大量有機(jī)物，所需資金成本相對比較高，且生產(chǎn)產(chǎn)量比較低，應(yīng)選擇性使用。

2.3 發(fā)泡工藝

對于發(fā)泡工藝進(jìn)行陶瓷制備，具體指的是將有機(jī)或無機(jī)性質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)添加至陶瓷組分中，借助化學(xué)作用來形成具有揮發(fā)性特征的氣體，從而形成泡沫狀態(tài)的物質(zhì)，在通過干燥和燒制的方式制作而成的多孔陶瓷，對于這部分多孔陶瓷還包括網(wǎng)眼和泡沫兩種類型，與上述泡沫浸漬制備工藝技術(shù)進(jìn)行對比，發(fā)泡工藝的應(yīng)用優(yōu)勢主要在于能夠?qū)μ沾芍破沸誀?、密度、成分等進(jìn)行有效控制，同時(shí)也能夠根據(jù)加工需求制備更多類型的氣孔性狀、不同大小的多孔陶瓷制品，因此這類制備工藝通常用于進(jìn)行閉氣孔陶瓷材料制備所使用[3]。在整個制備過程中，其中所使用的發(fā)泡劑化學(xué)物質(zhì)類型相對比較多，但因其具有工藝條件控制比較困難，這也就對陶瓷材料生產(chǎn)帶來一定的阻礙影響，另外在進(jìn)行實(shí)際燒制時(shí)，因溫度增長太快也會使得其中的有機(jī)物發(fā)生劇烈氧化，同時(shí)也會在非常短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，從而導(dǎo)致陶瓷的胚體出現(xiàn)開裂、粉化等現(xiàn)象。

2.4 添加成孔劑工藝

在需要進(jìn)行的陶瓷配料中，將造孔劑加入其中，這樣做的目的在于借助造孔劑的作用在陶瓷胚體內(nèi)部占據(jù)一部分空間，然后對其進(jìn)行燒結(jié)處理后造孔劑就會離開，從而產(chǎn)生氣孔來進(jìn)行多孔陶瓷制備。從整體上來看，添加成孔劑制備工藝進(jìn)行多孔陶瓷制備，與當(dāng)前應(yīng)用的普通陶瓷制備工藝進(jìn)行對比，其在制備流程具有很多相似之處，將成孔劑加入陶瓷基體中，對其進(jìn)行加熱處理后基本不會有殘留物，同時(shí)也不會與基體發(fā)生反應(yīng)，這類制備工藝在應(yīng)用過程中相對比較簡單，且適合應(yīng)用于規(guī)模比較大的陶瓷材料生產(chǎn)作業(yè)中；另外，因造孔劑顆粒的大小、形狀存在一定的不同之處，因此也就決定了之后所制備出來的陶瓷材料的大小和形狀，但從整體上來看，所制造出來的陶瓷材料氣孔率相對比較低，分布也不是很均勻，對于這類工藝所制備出來的多孔陶瓷，大部分應(yīng)用在催化劑載體方面。

2.5 擠出成型制備工藝

對于擠出成型這類制備工藝，主要用于對蜂窩狀形式的多孔陶瓷進(jìn)行制備生產(chǎn)，同時(shí)也是當(dāng)前蜂窩陶瓷應(yīng)用最為普遍的一種制備工藝，對于工藝流程具體如下：先將多孔陶瓷制備所需原料進(jìn)行合成處理，并混合于一體，然后再對其采取擠出成型工藝，并采取干燥、燒制后形成多孔陶瓷制品[4]。對于這類制備工藝所生產(chǎn)出來的多孔陶瓷，具有氣孔尺寸、形狀以及孔隙率比較均勻的特征，因此可用于批量多孔陶瓷生產(chǎn)作業(yè)中。但要特別注意的是，應(yīng)用擠出成型這一制備工藝所生產(chǎn)的多孔陶瓷材料，其孔道結(jié)構(gòu)相對比較簡單，氣孔尺寸也非常小，同時(shí)對于核心程序擠出成型塑性方面的制備要求相對比較高。

2.6 固相燒結(jié)工藝

采取固相燒結(jié)這一工藝進(jìn)行多孔陶瓷制備作業(yè)，主要是借助其所具有的微細(xì)顆粒在燒結(jié)時(shí)比較容易的特征，通過在制備骨料中添加與之相同組分的微細(xì)顆粒，然后基于一定溫度條件下，促使骨料中微細(xì)顆粒隨之進(jìn)行蒸發(fā)和遷移，通過對大顆粒連接部進(jìn)行燒結(jié)處理后，以此使得其中的大顆粒處于連接狀態(tài)。在燒結(jié)過程中，所有骨料就會在其中與其他顆粒之間進(jìn)行連接，在連接過程中，也會逐步在燒結(jié)體中形成大量三維貫通孔道，從而形成多孔陶瓷。

2.7 凝膠注模工藝

對于凝膠注模這種多孔陶瓷制備工藝，最開始起源在20世紀(jì)90年代美國，將傳統(tǒng)多孔陶瓷制備工藝和高分子化學(xué)反應(yīng)兩者相結(jié)合，從而形成這種新型的多孔陶瓷制備工藝技術(shù)，整個制備過程就相當(dāng)于原位成型的過程，在具體制備中，是通過有機(jī)單體或少量添加劑，使其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后，在進(jìn)行原位凝固成型，通過以此獲取微觀均勻、強(qiáng)度高的多孔陶瓷胚體，在對此進(jìn)行燒結(jié)后獲取多孔陶瓷成品。

2.8 冷凍干燥工藝

對于冷凍干燥制備工藝的使用，借助冰的作用包圍和隔離處于柱形狀態(tài)的凝膠，在這個過程中還要對溶液中冰生長方向進(jìn)行有效控制，使其保持單向生長狀態(tài)，當(dāng)冰不斷溶化也就隨之形成纖維。而對于凍干制備工藝，其中所使用的溶劑則是從原本的固態(tài)逐漸升華成氣態(tài)后進(jìn)行排除[5]。在制備過程中，通過對金屬鹽溶液冷凍方向進(jìn)行相應(yīng)的控制，以此獲取具有高氣孔率、方向好的多孔陶瓷，其中氣孔率通常在90%以上。從整體上來看，冷凍干燥工藝進(jìn)行多孔陶瓷制備，所生產(chǎn)出來的陶瓷胚體具有收縮小、控制比較簡單，同時(shí)對于陶瓷的孔結(jié)構(gòu)也具有非常強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性能，機(jī)械強(qiáng)度也比較好的優(yōu)勢，最重要的是應(yīng)用該工藝進(jìn)行多孔陶瓷制備不會對環(huán)境造成污染影響。

2.9 自蔓延高溫合成工藝

對于自蔓延高溫合成制備工藝，還可將其稱為燃燒合成工藝，應(yīng)用該制備工藝進(jìn)行多孔材料制備，其主要原理就是通過放熱、化學(xué)反應(yīng)過程中所釋放的熱量，來起到對自我熱量進(jìn)行的維持作用，借助熱量的維持作用獲取新物質(zhì)的同時(shí)，也就制備出了多孔材料，也可以根據(jù)形狀要求獲取相應(yīng)的多孔材料。另外，在進(jìn)行燃燒合成的同時(shí)也會進(jìn)行出現(xiàn)燒結(jié)狀態(tài)，這種燃燒狀態(tài)下的燒結(jié)體孔隙率是非常高的，一般情況在50%及以上。與其他常規(guī)性的制備工藝進(jìn)行比較，燃燒合成工藝的制備特征和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：燃燒合成、反應(yīng)相對比較快，能夠起到節(jié)約能源資源的作用，所制備出來產(chǎn)品具有純度高的優(yōu)勢，整體上所采用的工藝流程非常簡單，適用于無機(jī)材料制備；關(guān)于該制備工藝中存在的不足主要在于因燃燒合成反應(yīng)和速度比較快，因此對于燒結(jié)尺寸的控制存在一定困難度。

2.10 水熱-熱靜壓工藝

關(guān)于水熱-熱靜壓工藝主要是以水作為整個制備工藝中的壓力傳遞介質(zhì)，通過以此制備出不同孔徑大小的多孔陶瓷，對于該制備工作的流程具體如下：將質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10%的水與硅凝膠兩者進(jìn)行混合處理，將處理后的混合液放在高壓釜中，對于高壓釜的壓力要求為10-15Mpa之間，溫度要求為300℃，通過高壓釜的作用促使其中的水蒸氣處于揮發(fā)狀態(tài)，從而制備成多孔陶瓷。從整體上來看應(yīng)用該種制備工藝，反應(yīng)時(shí)間要求通常在10-180min之間，若高壓釜壓力位25Mpa時(shí)，則所需反應(yīng)時(shí)間一般為1h，所制備出來的多孔陶瓷材料體積密度、孔體積、孔分布范圍、抗壓強(qiáng)度分別為0.88g/cm3、0.598g/cm3、30-50cm、80Mpa，其應(yīng)用優(yōu)勢主要在于制備出來的多孔陶瓷材料具有抗壓強(qiáng)度比較高，整體性能非常穩(wěn)定，且孔徑分布范圍相對比較廣泛[6]。

2.11 組織遺傳制備工藝

對于組織遺傳這種制備工藝的應(yīng)用，是通過植物本身所具有的天然多孔組織的特征下進(jìn)行制備的，通過將植物置于800℃-1000℃的溫度下，并與惰性氣體處于同一環(huán)境下進(jìn)行熱解碳化后。從而獲取與木材多孔結(jié)構(gòu)同類的碳預(yù)制體，將此作為多孔陶瓷制備的模板，通過在1600℃環(huán)境下的液態(tài)硅中進(jìn)行蒸發(fā)處理后，形成硅蒸汽并深入模板中，將其與碳化進(jìn)行合成處理，最終制備出多孔碳化硅陶瓷。整個制備過程非常簡單，所需要的資金也比較低，但其中需要特別注意的是，制備出來的多孔陶瓷孔結(jié)構(gòu)取決于其中所用材質(zhì)組織，因此設(shè)計(jì)性非常差，另外碳化硅轉(zhuǎn)化率也非常低。除以上之外，還可將木材置于真空環(huán)境下，然后浸漬于樹脂中，并處于1200℃環(huán)境下進(jìn)行熱解處理，最后通過冷卻獲取相應(yīng)孔隙率木材陶瓷材料。

3 總結(jié)

綜上所述，隨著多孔陶瓷材料制備工藝技術(shù)不斷進(jìn)步，因其所帶來的巨大社會和經(jīng)濟(jì)效益，得到當(dāng)前社會各大領(lǐng)域的高度關(guān)注和重視，特別是航天、軍事、金屬陶瓷復(fù)合材料等領(lǐng)域?qū)Χ嗫滋沾刹牧系男枨蟾鼮槠惹?，對此相關(guān)科研人員未來應(yīng)加快對制備工藝的優(yōu)化，加強(qiáng)對氣孔尺寸、分布性狀等方面的可控性，減少企業(yè)生產(chǎn)成本，創(chuàng)造更高效益，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)，為各大領(lǐng)域的發(fā)展提供更多有力支持。