泡沫陶瓷是具有高比面積、高氣孔率、低密度、低熱傳導(dǎo)系數(shù)，對液體和氣體介質(zhì)有選擇透過性，并具有能量吸收和阻尼特性等優(yōu)異性能的新型材料，且孔道呈互相連接的迷宮式三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔體，在熔融金屬、氣體液體過濾、凈化分離、化工催化載體、吸聲減震、高級保溫材料、生物材料、特種墻體材料和傳感器材料等方面作用顯著，廣泛應(yīng)用于環(huán)保、能源、化工、生物等領(lǐng)域。

一、泡沫陶瓷概述

泡沫陶瓷材料的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代，是一種具有高溫特性的多孔材料。其孔徑從納米級到微米級不等，氣孔率在20%～95%之間，使用溫度為常溫～1600℃。

（1）按孔隙之間關(guān)系，泡沫陶瓷可分為：閉口氣孔和開口氣孔。

閉口氣孔：指陶瓷材料內(nèi)部微孔允布在連續(xù)的陶瓷基體中，孔與孔之間相互隔離。

開口氣孔：包括材料內(nèi)部孔與孔之間相互連通和一邊開口、另一邊閉口形成不連通氣孔兩種。

（2）泡沫陶瓷按材質(zhì)可分為以下幾種：

硅藻土質(zhì)材料：主要以精選硅藻土為原料，加粘土燒結(jié)而成，用于精濾水和酸性介質(zhì)中。

圖1  硅藻土質(zhì)泡沫材料

鋁硅酸鹽材料：以耐火粘土熟料、燒礬土、硅線石和合成莫來石質(zhì)顆粒為骨料。具有耐酸性和耐弱堿性，使用溫度達(dá)1000℃。

高硅質(zhì)硅酸鹽材料。主要以硬質(zhì)瓷渣、耐酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷顆粒為骨料生產(chǎn)，具有耐水性和耐酸性，使用溫度達(dá)700℃。

陶質(zhì)材料：組成接近高硅質(zhì)硅酸鹽材料，是一種主要以多種粘土熟料顆粒與粘土等混合而得到的微孔陶瓷材料。

剛玉和金剛砂材料：以不同型號的電熔剛玉和碳化硅顆粒為骨料，具有耐強(qiáng)酸、耐高溫特性，耐高溫可達(dá)1600℃。

氧化鋯材料：基本材質(zhì)是氧化鋯ZrO₂，具有高的強(qiáng)度和高溫沖擊力，耐熱溫度高于1700℃。

圖2  氧化鋯泡沫陶瓷過濾片

二、泡沫陶瓷制備工藝

泡沫陶瓷制備工藝主要有有機(jī)（聚合物）泡沫浸演工藝、發(fā)泡工藝、添加造孔劑工藝、溶膠-凝膠工藝、自蔓延高溫合成工藝、凝膠注模工藝。

1、有機(jī)（聚合物）泡沫浸演工藝

有機(jī)泡沫浸演工藝是用有機(jī)泡沫浸漬陶瓷料漿，干燥后燒掉有機(jī)泡沫，獲得泡沫陶瓷的一種方法。其獨(dú)特之處在于它憑借了有機(jī)泡沫所具有的開孔三維網(wǎng)狀骨架的特殊結(jié)構(gòu)，將制備好的料漿均勻地涂覆在有機(jī)泡沫網(wǎng)狀體上，而燒掉有機(jī)泡沫后獲得的孔隙是網(wǎng)絡(luò)狀的。目前，最常用的有機(jī)泡沫材質(zhì)是聚氨基甲酸乙脂。

這種制備方法的關(guān)鍵在于有機(jī)泡沫的選擇，主要要求包括：有機(jī)泡沫孔徑、泡沫有親水性和恢復(fù)力等，具體如下：

（1）有機(jī)泡沫孔徑：它在很大程度上決定了最終制成品泡沫陶瓷孔徑的大小。

（2）泡沫親水性和恢復(fù)力：需具有一定的親屬性和足夠的恢復(fù)力，能夠與陶瓷材料牢固地吸附，且保證擠出多余料漿后能迅速地恢復(fù)形狀。

（3）燒失性：有機(jī)泡沫材料須能在低溫下燒失，這樣可減少熱應(yīng)力，防止制品開裂。

有機(jī)泡沫浸演工藝優(yōu)點(diǎn)是制備的泡沫陶瓷的孔隙為網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。

2、發(fā)泡工藝

發(fā)泡工藝是陶瓷組分添加有機(jī)或無機(jī)化學(xué)物質(zhì)，通過化學(xué)反應(yīng)等產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，產(chǎn)生泡沫，經(jīng)干燥和燒結(jié)制成泡沫陶瓷。

圖3  發(fā)泡工藝流程圖

該工藝優(yōu)點(diǎn)是可以制備出形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品，以滿足一些特殊場合的應(yīng)用。缺點(diǎn)是發(fā)泡反應(yīng)法成型泡沫陶瓷工藝較復(fù)雜，不易控制。

3、添加造孔劑工藝

添加造孔劑工藝是通過在陶瓷配料中添加造孔劑，利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間，然后經(jīng)過燒結(jié)，造孔劑離開基體而形成氣孔來制備泡沫陶瓷。

造孔劑的種類有無機(jī)和有機(jī)兩類，無機(jī)造孔劑主要是：碳酸按、碳酸氫錢等高溫可分解的鹽類，以及煤粉、碳粉等。有機(jī)造孔劑主要是：天然纖維、高分子聚合物和有機(jī)酸等。造孔劑顆粒的形狀和大小決定了泡沫陶瓷材料氣孔的形狀和大小。其成型方法主要有模壓、擠壓、等靜壓、軋制、注射和粉漿澆注等。

添加造孔劑工藝優(yōu)點(diǎn)是：可以制得形狀復(fù)雜、氣孔結(jié)構(gòu)各異的材料，缺點(diǎn)是：氣孔分布的均勻性較差。

4、溶膠-凝膠工藝

溶膠-凝膠工藝主要用來制備孔徑在納米級的微孔陶瓷材料，同時(shí)也可以制備高規(guī)整度泡沫陶瓷材料。溶膠-凝膠技術(shù)制備泡沫陶瓷材料，在溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)化過程中，體系的粘度迅速增加，從而穩(wěn)定了前期產(chǎn)生的氣泡，有利于發(fā)泡。

該工藝優(yōu)點(diǎn)是：可以制備孔徑在納米級、氣孔分布均勻的泡沫陶瓷薄膜。

5、自蔓延高溫合成工藝

自蔓延高溫合成工藝（SHS）是利用化學(xué)自放熱反應(yīng)產(chǎn)生的高溫，在幾秒或幾十秒內(nèi)即可完成材料的合成，最大限度地利用材料合成中的化學(xué)能，節(jié)約能源。SHS反應(yīng)產(chǎn)物通常具有很高的孔隙率，利用這一特點(diǎn)來制備具有多孔連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，而且通過添加造孔劑可進(jìn)一步提高產(chǎn)物的連通開放孔隙率。

自蔓延高溫合成工藝優(yōu)點(diǎn)是可以制備各方面性能優(yōu)異的泡沫陶瓷材料，且高效、節(jié)能。缺點(diǎn)是反應(yīng)速度快，過程不易控制。

6、凝膠注模工藝

美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室首次提出了凝膠注模工藝。它是一種被廣泛應(yīng)用的新型成形方法。這種成形技術(shù)采用非孔模具，利用料漿內(nèi)部或少量添加劑的化學(xué)反應(yīng)作用從而使陶瓷料漿原位凝固形成坯體，獲得具有良好微觀均勻性和形狀的坯體，從而顯著提高材料的可靠性。工藝可以使懸浮體泡沫化且能使液體泡沫原位聚合固化。

該工藝優(yōu)點(diǎn)是：作為制備泡沫陶瓷的一種新型方法，懸浮體泡沫化是最經(jīng)濟(jì)的，原位聚合固化所形成的素坯具有內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且強(qiáng)度較高。

三、泡沫陶瓷應(yīng)用

1、催化劑載體材料

泡沫陶瓷具有高比表面性，使其作為催化劑載體，可以增加有效接觸面積，增強(qiáng)催化效果，且其具有耐熱、不污染、不易中毒、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車尾氣、化工領(lǐng)域等處理有毒、惡臭等有害氣體，進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境。

圖4  泡沫陶瓷作為催化劑載體應(yīng)用于汽車尾氣處理

2、隔熱材料

在泡沫陶瓷中由于閉氣孔的存在，降低了其放熱效率，減少了熱傳播過程中的對流，使泡沫陶瓷具有熱傳導(dǎo)率低、抗熱震性能優(yōu)良等特性，是一種理想的耐熱材料。

例如由泡沫陶瓷制作的典型耐熱材料為耐熱磚，其材質(zhì)有ZrO2、SiC、Si₃N₄和鎂質(zhì)材料等，使用溫度高達(dá)1600℃。目前，世界上最好的隔熱材料正是這類材料，稱之為“超級絕熱材料”，被應(yīng)用于航天飛機(jī)外殼的隔熱等。

圖5  泡沫陶瓷作為隔熱材料應(yīng)用于航天航空

3、燃燒器

目前，泡沫陶瓷材料又一個(gè)用途是作為多孔介質(zhì)燃燒器。因其通過陶瓷材料提供的良好熱交換降低了火焰溫度，故在惰性多孔陶瓷表面內(nèi)或在接近多孔陶瓷表面處進(jìn)行各種燃料的預(yù)混合燃燒，從而節(jié)省了能量，并顯著降低了COx 、NOx 排放。

圖6  泡沫陶瓷材料應(yīng)用于多孔介質(zhì)燃燒器

4、吸聲材料

泡沫陶瓷具有大量三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的孔隙。聲波傳入多孔體內(nèi)部后，引起孔隙中的空氣產(chǎn)生振動并使陶瓷筋絡(luò)發(fā)生摩擦。由于粘滯作用，聲波轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷В瑥亩_(dá)到吸收聲音的效果。

5、生物材料

目前研究正正致力于生物材料—多孔羥基磷灰石生物泡沫陶瓷的研究。多孔羥基磷灰石陶瓷與人體骨骼、牙齒無機(jī)質(zhì)的成分極為相似，對人體無毒，具有極好的生物相容性和生物活性，而且其相互連通的孔隙有利于組織液的微循環(huán)，促進(jìn)細(xì)胞的滲入和生長。

圖7  多孔羥基磷灰石生物泡沫陶瓷應(yīng)用于人體骨骼

參考文獻(xiàn)：

1、慶祝，泡沫陶瓷及其應(yīng)用，《佛山陶瓷》。

2、楊秋婷，史陽，泡沫陶瓷的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，《陶瓷》。

作者：樂心