多孔陶瓷材料的制備和應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間 | 2021-07-27 13:47 分類(lèi) | 粉體加工技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 2764

干燥電池材料

導(dǎo)讀：?保溫隔熱材料在航空、航天、能源、化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，高強(qiáng)度和低熱導(dǎo)率隔熱材料的研發(fā)是當(dāng)前重要的科研方向。多孔陶瓷具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性、密度小、耐熱性高、比表面積大、有較...

保溫隔熱材料在航空、航天、能源、化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，高強(qiáng)度和低熱導(dǎo)率隔熱材料的研發(fā)是當(dāng)前重要的科研方向。多孔陶瓷具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性、密度小、耐熱性高、比表面積大、有較強(qiáng)的抗熱沖擊性等特點(diǎn)。同時(shí)多孔陶瓷材料中分布的氣孔，極大的降低了材料的熱導(dǎo)率，使多孔陶瓷材料擁有優(yōu)良的保溫、隔熱性能。目前，多孔陶瓷材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)領(lǐng)域，如保溫隔熱、降噪等。

制備方法

那么多孔陶瓷有哪些制備方式呢，接下來(lái)就讓我們一起來(lái)了解多孔陶瓷的制備方法。

（1）添加造孔劑法

添加造孔劑法即在陶瓷漿料中添加造孔劑，并使造孔劑和陶瓷漿料盡可能分散均勻，通過(guò)不同工藝成型，然后在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中除去坯體中的造孔劑，留下相應(yīng)孔洞，獲得多孔預(yù)制體。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可以任意調(diào)整造孔劑的添加量，進(jìn)而控制多孔陶瓷的孔隙率的高低，從而達(dá)到調(diào)節(jié)導(dǎo)熱系數(shù)的目的，且制備工藝簡(jiǎn)單，易于規(guī)模化生產(chǎn)。但由于陶瓷配料和造孔劑粒度通常不一致，致使在混合時(shí)很難使造孔劑分散均勻，導(dǎo)致多孔隔熱材料的內(nèi)部孔隙分布不均勻。該工藝關(guān)鍵之處在于選用造孔劑的種類(lèi)、性質(zhì)和用量。

（2）模板法

模板法是將制備好的有機(jī)物多孔結(jié)構(gòu)模板浸漬在陶瓷懸浮液或陶瓷前驅(qū)體溶液中，經(jīng)過(guò)干燥、燒結(jié)或其他手段將有機(jī)模板去除以獲得多孔陶瓷的制備工藝，這種制備方法簡(jiǎn)單靈活，多用于制備大孔，且坯體由預(yù)先制備好的有機(jī)泡沫網(wǎng)絡(luò)骨架成型，其中的孔結(jié)構(gòu)與模板基本保持一致，孔結(jié)構(gòu)直觀，可設(shè)計(jì)。該法的缺點(diǎn)是在有機(jī)物劇烈燃燒熱解的過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，導(dǎo)致坯體坍塌，需要很慢的升溫速率，且燒除有機(jī)泡沫模板的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，會(huì)導(dǎo)致大氣污染。

采用不同模板制備出的多孔陶瓷SEM圖

（3）泡沫法

泡沫法即在陶瓷配料中添加有機(jī)或無(wú)機(jī)發(fā)泡劑、催化劑，充分混合均勻后，經(jīng)過(guò)熱處理使得添加物揮發(fā)，在坯體內(nèi)產(chǎn)生泡沫，經(jīng)干燥和燒結(jié)處理制得多孔隔熱材料。該制備方法的優(yōu)點(diǎn)是制備效率高、形成的氣孔完全封閉，并且密度極低；缺點(diǎn)在于對(duì)制備工藝條件需把控精準(zhǔn)，發(fā)泡過(guò)程無(wú)法控制使孔隙難以調(diào)控，在制備過(guò)程中容易因發(fā)泡造成坯體破裂或粉化。

使用泡沫法制備的多孔陶瓷SEM圖

（4）凝膠注模法

凝膠注模法首先要將有機(jī)單體和去離子水按一定配比混合均勻，然后往其中添加如適量分散劑、交聯(lián)劑混合均勻得到預(yù)混液；再向預(yù)混液中添加入陶瓷粉料，充分?jǐn)嚢杈鶆颍蛔詈蠹尤脒m量引發(fā)劑和催化劑促使有機(jī)單體發(fā)生聚合反應(yīng)，料漿凝固形成坯體，在經(jīng)過(guò)干燥、高溫?zé)Y(jié)后處理制得多孔陶瓷。該方法的優(yōu)點(diǎn)是制備過(guò)程操作方便，適合批量生產(chǎn)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染性，但是在干燥過(guò)程中容易因?yàn)闇囟仍O(shè)置不當(dāng)造成坯體起皮或者開(kāi)裂。

使用注凝法制備的多孔陶瓷SEM圖

（5）冷凍干燥法

冷凍干燥法首先將漿料進(jìn)行低溫處理，使?jié){料中的液態(tài)水形成固態(tài)冰；然后對(duì)其高溫干燥，干燥過(guò)程中隨著溫度的升高固態(tài)冰升華成氣體排出，在坯體中形成一定的孔洞結(jié)構(gòu)；再經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)處理后制得多孔陶瓷。該工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)污染，制品孔隙率高達(dá)90%，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，屬于低成本工藝，具有廣闊的發(fā)展前途。

多孔陶瓷的應(yīng)用

多孔陶瓷不僅可以應(yīng)用于保溫隔熱領(lǐng)域，在其他領(lǐng)域中也能見(jiàn)到他的身影。

（1）隔熱材料

傳統(tǒng)陶瓷材料的熱導(dǎo)率較低，可被用作隔熱材料。多孔陶瓷的多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)充斥的氣體，致使多孔陶瓷的隔熱性能進(jìn)一步加強(qiáng)。目前，1600℃的傳統(tǒng)氣爐和高溫電爐中已廣泛使用多孔陶瓷作為隔熱材料；在神舟系列飛船、長(zhǎng)征系列火箭中，多孔陶瓷與金屬隔熱材料等組成的多層隔熱材料得到了很好的應(yīng)用；航天飛機(jī)的隔熱外殼是由抽成真空的多孔陶瓷組成的，真空多孔陶瓷是目前世界最好的隔熱材料。

（2）催化劑的載體

多孔陶瓷的氣孔結(jié)構(gòu)優(yōu)且數(shù)量多，比表面積大，作為催化劑載體能夠增大催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，提高催化效率與速度。具有吸附能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可以延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，降低使用成本。因此，多孔陶瓷是催化劑載體的理想材料，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)尾氣凈化以及無(wú)機(jī)和有機(jī)的生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著中國(guó)氣體排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的高速發(fā)展，多孔陶瓷作為催化劑載體的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)更加廣泛。

陶瓷催化劑載體

（3）過(guò)濾、分離和提純

多孔陶瓷作為一種過(guò)濾、分離和提純的新型材料，具有使用壽命長(zhǎng)、抗微生物能力強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫、可重復(fù)使用的特點(diǎn)。在使用要求苛刻的領(lǐng)域中，多孔陶瓷得到了廣泛的應(yīng)用，如過(guò)濾牛奶、液固分離、熔融金屬去除雜質(zhì)、工業(yè)廢水凈化等。

微孔陶瓷過(guò)濾管

（4）吸音材料

在聲波的傳播過(guò)程中，多孔陶瓷作為聲音屏障，能夠改變聲波的傳播方向，使聲波被限制在空腔內(nèi)。空腔內(nèi)聲波引起空氣的振動(dòng)和克服空氣摩擦做功轉(zhuǎn)化為熱能，大幅降低聲音的能量。多孔陶瓷相比于無(wú)機(jī)纖維具有力學(xué)性能強(qiáng)、不易受潮、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)；相比于泡沫玻璃和金屬吸聲材料具有價(jià)格相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)。賀瑞飛等以高爐煉鐵水淬渣原料壓制的多孔陶瓷平均吸音系數(shù)高達(dá)0.70以上，具有良好的吸音效果。可見(jiàn)在吸音領(lǐng)域，多孔陶瓷有一席之地。

陶瓷吸音板

（5）燃料電池材料

多孔陶瓷在燃料電池中可作為陰極材料，為氧氣提供輸送通道和活化位點(diǎn)，提高反應(yīng)效率。與此同時(shí)，多孔陶瓷能夠在燃料電池的高溫下穩(wěn)定工作，且為熱量的散失提供通道。上述多孔陶瓷的優(yōu)勢(shì)提高了燃料電池的性能并能延長(zhǎng)其壽命，使得多孔陶瓷在燃料電池中的應(yīng)用將會(huì)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

陶瓷燃料電池

（6）生物材料

多孔生物陶瓷具有生物相容性良好，與骨組織結(jié)合好，無(wú)排異反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，在術(shù)后空腔恢復(fù)、改善血管生成能力以及促進(jìn)骨修復(fù)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用。此外，多孔陶瓷具有的孔結(jié)構(gòu)，方便加載藥物，其耐久性能夠起到長(zhǎng)時(shí)間的支撐作用。因而，多孔陶瓷在醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域有重大的研究?jī)r(jià)值。