泡沫陶瓷是一種具有均勻三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特殊多孔陶瓷，其孔道分布均勻、氣孔率高、相對密度小、比表面積大、對液體和氣體介質(zhì)有選擇透過性，具有較好的能量吸收和阻壓特性以及優(yōu)良的熱、電、磁、光、化學(xué)等功能。泡沫碳化硅陶瓷除了擁有多孔陶瓷的特性外，還具有碳化硅本身的耐高溫、抗氧化、耐酸堿腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率大、硬度高、抗熱震等優(yōu)良性能以及半導(dǎo)體特性。目前，泡沫碳化硅陶瓷的應(yīng)用已遍及冶金、化工、能源、電子、交通、機(jī)械、國防、環(huán)保、生物等多個(gè)領(lǐng)域。因此，泡沫碳化硅陶瓷的相關(guān)研究日益受到科學(xué)家與工程師們的廣泛關(guān)注。

圖一 泡沫碳化硅陶瓷

一、泡沫碳化硅陶瓷的制備

目前普遍使用的泡沫碳化硅陶瓷的制備方法有：粉末燒結(jié)法、固相反應(yīng)燒結(jié)法、含硅樹脂熱解法以及氣相沉積法。

1、粉末燒結(jié)法

粉末燒結(jié)法分為兩種：一種是將含有一定量燒結(jié)助劑的碳化硅粉與黏結(jié)劑（如硅酸乙酯水解液、硅溶膠等）調(diào)和成合適濃度的料漿，然后浸掛在聚氨酯泡沫上，固化干燥后，在200～600℃范圍脫出黏結(jié)劑和聚氨酯泡沫。而后，將溫度升高到1500～2200℃進(jìn)行燒結(jié)便得到泡沫狀的碳化硅陶瓷；另一種方法是將含燒結(jié)助劑的碳化硅粉與株?duì)畎l(fā)泡劑均勻混合后，用模壓或澆注方法成型。通過熔化或氣化脫出發(fā)泡劑，然后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)以獲得泡沫狀碳化硅陶瓷。

2、固相反應(yīng)燒結(jié)法

固相反應(yīng)燒結(jié)法是將株?duì)畎l(fā)泡劑與硅粉和碳粉均勻混合成型。通過熔化或氣化脫出發(fā)泡劑，經(jīng)過高溫反應(yīng)燒結(jié)后即獲得泡沫狀碳化硅陶瓷。

3、含硅樹脂法

含硅樹脂熱解法是將有機(jī)硅前體制成高分子凝膠，脫出凝膠中的有機(jī)溶劑后得到泡沫狀的含硅樹脂，經(jīng)充分氧化后進(jìn)行熱解即得到泡沫狀碳化硅陶瓷。其獨(dú)特之處在于它將制備好的漿料均勻地涂覆在具有三維網(wǎng)狀骨架特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)泡沫網(wǎng)狀體上，燒掉有機(jī)泡沫后獲得的孔隙是網(wǎng)眼型的。其孔徑尺寸主要取決于有機(jī)泡沫體的孔徑尺寸與涂覆厚度。

4、氣相沉積法

氣相沉積法是利用化學(xué)氣相沉積法將碳化硅沉積到網(wǎng)狀碳纖維編織體上而獲得泡沫狀碳化硅陶瓷。將原料滲透沉積到編織好的碳纖維骨架或有機(jī)泡沫形成的網(wǎng)眼多孔碳骨架上，涂層的厚度為100～1000 μm。通過控制沉積的速度和時(shí)間來控制陶瓷最終的結(jié)構(gòu)和性能。

二、泡沫碳化硅陶瓷的特征

泡沫碳化硅陶瓷連通的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、較高的氣孔率以及較好的透氣性能使其不論在單相或兩相逆流操作狀態(tài)下都具有較低的壓降。

泡沫碳化硅陶瓷材料具有較好的抗氧化特性，這與碳化硅的化學(xué)穩(wěn)定性有密切關(guān)系。裸露在最外層的碳化硅很容易被氧化，生成的二氧化硅在材料外表面形成一層薄膜，能防止內(nèi)部碳化硅被進(jìn)一步氧化。

泡沫碳化硅陶瓷材料還具有微波吸收特性。利用有限元素法分析泡沫碳化硅、塊狀碳化硅和碳化硅顆粒的電磁波吸收特性發(fā)現(xiàn)，泡沫碳化硅吸收電磁波的能力遠(yuǎn)高于后兩者。

泡沫碳化硅陶瓷材料的電阻率較低，通過改變制作工藝條件，可以從5×10^-2 ?·cm 變化至 5×10⁴?·cm，這是其它泡沫陶瓷所沒有的特性。

泡沫碳化硅陶瓷材料的成型加工性能也較好，金剛石刀具可方便地將其切斷，需要研磨時(shí)可用金剛砂輪。通過改變加工條件可以簡單地將泡沫碳化硅陶瓷加工成所需要的形狀。泡沫碳化硅陶瓷還可與金屬可靠連接，使其應(yīng)用更加便捷。總之，泡沫碳化硅陶瓷的原料來源廣泛，制備成本低，比金屬材料的制備過程更為環(huán)保，節(jié)能減排方面具有很大優(yōu)勢，所以其具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

三、泡沫碳化硅陶瓷的應(yīng)用

隨著泡沫碳化硅制備工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，優(yōu)越的性能將使其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大、樣式更加多元化。在許多應(yīng)用領(lǐng)域，泡沫碳化硅陶瓷材料日益展現(xiàn)出其它材料所無法比擬的優(yōu)越性。

1、催化劑載體

泡沫碳化硅陶瓷具有較高的孔隙率、熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)勢，其表面凹凸不平，且具有眾多微孔，這種特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大大增加了兩相接觸面積，所有這些特性預(yù)示著泡沫碳化硅陶瓷將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二氧化硅、氧化鋁陶瓷以及活性炭作為新一代的催化劑載體。

2、過濾器

泡沫陶瓷過濾技術(shù)是一種能夠去除合金中非金屬夾雜物，凈化金屬溶液的新技術(shù)。泡沫碳化硅陶瓷在這一領(lǐng)域的應(yīng)用使金屬的合格率和力學(xué)性能都有較大程度的提升。因此，在鑄造行業(yè)推廣泡沫碳化硅在凈化金屬溶液領(lǐng)域的應(yīng)用可望得到顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。泡沫陶瓷載體是目前國際上普遍采用的尾氣凈化器載體材料。泡沫碳化硅陶瓷因具有開孔率大、透氣性好、比表面積大、抗熱震性能高和可控的電阻率等特點(diǎn)已經(jīng)成功應(yīng)用到汽車尾氣凈化器中。

圖二 泡沫碳化硅應(yīng)用于過濾器

3、化工領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1泡沫結(jié)構(gòu)填料

具有發(fā)達(dá)比表面積、較低阻力損失的泡沫碳化硅陶瓷材料還可應(yīng)用于精餾塔中，與傳統(tǒng)填料相比，碳化硅陶瓷塊具有較低的壓降、較多的持液量、較好的傳質(zhì)性能。

3.2泡沫規(guī)整填料

與金屬板波紋填料相比，泡沫碳化硅規(guī)整填料的干、濕填料壓降較低、持液量較大，在不同噴淋密度下的泛點(diǎn)氣速較大，所以泡沫碳化硅填料的通量高，不易液泛。

4、其它應(yīng)用

泡沫碳化硅陶瓷材料還可應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)爐中進(jìn)行燃燒過程的強(qiáng)化，具體形式包括：蒸汽發(fā)生器、輻射燃燒器、高壓絕熱燃燒器等。它們因具有體積小、節(jié)約燃料、功率調(diào)節(jié)范圍廣、穩(wěn)定燃燒范圍寬、污染物排放少等優(yōu)點(diǎn)而日益受到社會各界的廣泛關(guān)注。泡沫碳化硅陶瓷的耐腐蝕性優(yōu)良，可通電發(fā)熱，很適用于施工部門及半導(dǎo)體領(lǐng)域中腐蝕性流體的加熱。泡沫碳化硅陶瓷材料還可用于制作各類換熱器，由于其孔隙率高、壓降低、熱交換面積大以及特殊的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以大大提高傳熱系數(shù)。除此之外，泡沫碳化硅陶瓷還可應(yīng)用于電子部件熱處理用材料、流動床底板、加濕器、沸水器、微生物載體等領(lǐng)域。

                                                   作者：谷雨