一文了解多孔氧化鋁陶瓷制備方法及應用

發布時間 | 2019-02-14 19:41 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 7664

干燥氧化鋁

導讀：多孔氧化鋁陶瓷不僅具有氧化鋁陶瓷耐高溫、耐腐蝕性好，同時具有多孔材料比表面積大、熱導率低等優良特點，現已廣泛應用于凈化分離、固定化酶載體、吸聲減震和傳感器材料等眾多領域，在航天航空...

多孔氧化鋁陶瓷不僅具有氧化鋁陶瓷耐高溫、耐腐蝕性好，同時具有多孔材料比表面積大、熱導率低等優良特點，現已廣泛應用于凈化分離、固定化酶載體、吸聲減震和傳感器材料等眾多領域，在航天航空、能源、石油等領域中也具有十分廣闊的應用前景。材料的性能與應用取決于其相組成和微觀結構，多孔氧化鋁陶瓷正是利用了氧化鋁陶瓷固有屬性和多孔陶瓷的孔隙結構，其中影響孔隙結構的主要因素是制備工藝與技術。

圖1 多孔氧化鋁陶瓷管

一、多孔氧化鋁陶瓷的制備工藝

目前，多孔氧化鋁陶瓷的制備工藝主要有添加造孔劑法、有機泡沫浸漬法、發泡法、顆粒堆積工藝、冷凍干燥法和凝膠注模法。

1、添加造孔劑法

添加造孔劑法是制備多孔氧化鋁陶瓷較為簡單、經濟的方法，該工藝是在氧化鋁陶瓷生坯制備過程中加入固態造孔劑，然后通過燒結去除造孔劑留下氣孔。添加造孔劑法制備多孔氧化鋁陶瓷的關鍵在于造孔劑的種類和數量，其次是造孔劑粒徑大小。添加造孔劑的目的在于提高材料的氣孔率，因此要求其不能與基體反應，同時在加熱過程中易于排除且排除后無有害殘留物質。

常用的造孔劑分為有機造孔劑和無機造孔劑兩大類，有機造孔劑主要有淀粉、松木粉、聚乙烯醇、聚乙二醇等；無機造孔劑主要有碳酸銨、氯化銨等高溫可分解鹽類和各類碳粉。

圖2 具有梯度分布孔的氧化鋁陶瓷（左）及 SEM 圖片（右）

添加造孔劑法制備多孔氧化鋁陶瓷優點是：工藝簡單，成本低，易于大規模生產；缺點是：造孔劑作為第二相加入，與基體材料很難完全混合均勻，容易造成材料性質的不均勻。另外，造孔劑本身占據的空間有限，同時在燒結過程中會有燒結收縮，因此一般造孔劑法所得到的多孔陶瓷的氣孔率一般低于50%。

2、有機泡沫浸漬法

有機泡沫浸漬法是一種利用網絡結構的有機泡沫浸漬陶瓷漿料，然后通過高溫燒結去除有機載體，從而獲得具有開孔三維網狀多孔陶瓷的方法，目前已成為制備多孔氧化鋁陶瓷材料應用最廣泛的技術之一。研究者以聚氨酯泡沫塑料為模板，采用兩步涂覆工藝復制出氧化鋁多孔陶瓷濾波器，首先將塑料泡沫浸漬在漿料中獲得第一層，然后采用噴涂及離心技術獲得第二層，結果發現第二層涂層對材料的均勻性和壓縮強度有較大影響，采用離心技術時低粘度漿料效果較好，采用噴涂技術時，高濃度氧化鋁漿料更好。

有機泡沫浸漬法優點是：工藝簡單、操作方便、成本低廉，通過選擇不同種類的有機泡沫可以調節多孔材料的微觀結構和形貌。常用的有機泡沫包括聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚亞胺酯、海綿和乳膠。

3、發泡法

發泡法是一種通過向氧化鋁陶瓷漿料中加入起泡劑，或者通過快速攪拌將氣體引入到陶瓷坯體，然后再經過燒結獲得多孔氧化鋁陶瓷材料的方法。與有機泡沫浸漬法相比，發泡法可以制備出小孔徑的閉口氣孔，通過控制發泡劑的用量和發泡時間等因素，可以得到所需孔徑尺寸的多孔氧化鋁陶瓷。常用的發泡劑有碳化鈣、氫氧化鈣、雙氧水等。

圖3 多孔氧化鋁陶瓷SEM圖

發泡法優點是：工藝較為簡單、成本也很低；缺點是：氣體的產生不能精確控制，孔徑大小不均勻，氣孔密度無法控制。此外，由于熱力學不穩定，氣泡間易于相互結合形成較大的氣泡以降低系統自由能。通常采用加入表面活性劑的方法來降低氣 - 液界面能。

4、顆粒堆積工藝

顆粒堆積工藝利用小顆粒易于燒結，在高溫下產生液相的特點，使氧化鋁顆粒連接起來制備多孔陶瓷。在該工藝中，對于孔徑尺寸的控制可以通過選擇不同粒徑的顆粒來實現，所得多孔氧化鋁陶瓷中孔徑大小與顆粒粒徑成正比，氧化鋁顆粒粒徑越大，形成的孔徑就越大；顆粒越均勻，產生的氣孔分布越均勻。一般來說，原料顆粒的尺寸應為所需孔徑尺寸的三至六倍。但是當需要獲得大氣孔時，就要選擇較大的顆粒，容易造成燒結困難。為了降低燒結溫度，通常在制備過程中加入低熔點的粘結劑使氧化鋁顆粒之間形成連接。

目前，研究者利用顆粒堆積工藝制備多孔氧化鋁陶瓷，探討了三種粒徑的氧化鋁顆粒級配對孔徑分布和抗折強度的影響，結果發現粗顆粒對孔徑分布起決定作用；中等顆粒將大顆粒橋接起來，有利于提高強度，但對孔隙率影響較小；小顆粒的作用與其聚集狀態有關：如均勻分散，則抗彎強度隨孔隙率的輕微增加而增加，但團聚的小顆粒對抗彎強度和孔徑分布均不利。

5、冷凍干燥法

冷凍干燥法是一種先將氧化鋁陶瓷漿料冷凍，然后通過降壓使溶劑從固相直接升華成氣相，從而獲得多孔結構的方法。該方法制備出的多孔氧化鋁陶瓷為聯通孔結構，通過控制漿料中冰晶的生長方向，可以得到定向分布的孔洞，最終燒結成為具有相應結構的多孔氧化鋁陶瓷。

冷凍干燥法優點是：以水為造孔劑，引入的添加劑較少，對環境不會造成任何污染，材料的孔隙率可以通過改變漿料的固含量進行調整，是一種綠色環保的工藝，可用于高定向、高氣孔率多孔材料的制備。

6、凝膠注模成型工藝

凝膠注模成型工藝首先在有機單體和交聯劑的混合溶液中加入氧化鋁陶瓷粉體制備懸浮液，然后加入引發劑和催化劑，通過有機單體的聚合和交聯反應使懸浮液固化成型，所得多孔氧化鋁坯體結構均勻、強度高，可進行一定的機械加工，隨后進行燒結制備得到多孔氧化鋁陶瓷。

圖4 凝膠注模成型工藝制備多孔氧化鋁陶瓷工藝流程圖

凝膠注模成型技術優點是可用于制備形狀復雜的多孔氧化鋁陶瓷；缺點是：丙烯酰胺具有較強的神經毒性，限制了其更廣泛的應用，因此尋找低毒乃至無毒的交聯凝膠體系成為凝膠注模成型工藝的主要研究方向之一。

二、多孔氧化鋁陶瓷應用

1、催化劑載體材料

多孔氧化鋁陶瓷具有優異的耐熱性、高硬度和優異的化學穩定性，是理想的催化劑載體，利用催化燃燒法將有機廢氣轉化為無毒的二氧化碳和水。

圖5 多孔氧化鋁陶瓷

2、傳感器材料

多孔氧化鋁陶瓷可被用作濕度傳感器，其工作原理是空氣中的水被吸附到多孔的表面上，引起了材料的電導的變化，即空氣濕度越大，多孔氧化鋁陶瓷吸附的水層越厚，則傳感器的電導越大，因此可以根據材料電導的大小來推斷周圍環境的濕度。

3、微孔膜材料

多孔氧化鋁陶瓷特別適合制成陶瓷分離膜。采用不同的制備工藝，可以制備孔徑尺寸從4nm～15μm的不同孔徑的分離膜。與高分子膜相比，陶瓷分離膜耐高溫、強度高，可適用高壓體系；耐腐蝕，對于堆積在膜表面或微孔內的有機物，可采用酸洗或高溫燒失處理。多孔氧化鋁陶瓷分離膜在高溫煙氣分離、各類油與水的分離、各類研磨油的再生、污水處理、排放液中有用物質的回收、超純水的制備等方面有著廣闊的應用前景。