泡沫陶瓷材料的制备及多功能性

刘 阳 马健岩 李艳波

沈阳建筑大学材料学院 沈阳110168

泡沫陶瓷材料的制备及多功能性

刘 阳 马健岩 李艳波

沈阳建筑大学材料学院 沈阳110168

泡沫陶瓷是一种重要的多孔材料，由众多的气孔在空间通过各种方式排列而成，因其特殊的结构具有多功能性。根据国内外最新文献，本文综述了泡沫陶瓷材料的制备方法，介绍了泡沫陶瓷优异的过滤与分离性、吸声性、隔热性等多种功能性。

泡沫陶瓷；制备方法；多功能性；

1、引 言

泡沫陶瓷材料的发展始于2O世纪7O年代，是一种具有可耐高温的多孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等，具有三维空间网架结构，气孔率在20%～95%之间，其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海绵体。根据材质不同，泡沫陶瓷的使用温度为常温～1600℃。自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土等陶瓷料浆研制的泡沫陶瓷，用于铝合金铸造过滤之后，英、日、德、瑞士等国家竞相开展了研究，生产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，根据应用的目的不同，已研制出多种材质、适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器，如A l2O3、 ZrO2、 SiC、Si3N4、硼化物 等高温泡沫 陶瓷，有的还加入了一定的矿物，如莫来石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等。目前泡沫陶瓷产品已实现系列化、标准化，形成了陶瓷材料的一个重要分支。[1]

2、泡沫陶瓷的制备方法

泡沫陶瓷材料的制备方法很多，目前应用比较普遍的有：发泡法、溶胶—凝胶法、添加造孔剂法、有机前驱体浸渍法、注模法、自蔓延高温合成法等。[2]每种工艺方法都有其各自的特点，在实际生产中，往往同时采用多种工艺方法，以提高产品的性能。

2.1 发泡法

发泡法主要是在陶瓷粉料中加入适当的发泡剂，通过化学反应产生挥发性气体从而产生泡沫，然后再经干燥和烧成制得。采用反应发泡的方法，可以制备形状复杂的泡沫陶瓷制品。发泡法制备泡沫陶瓷工艺较复杂，不易控制，且制备的泡沫陶瓷易出现粉化剥落现象并含有大量闭口气孔，因而在实际制备中较少被采用。研究表明，在陶瓷粉料中加入适当的陶瓷纤维，可以改善这一工艺，有效增加坯体在烧结过程中的强度，避免粉化和塌陷。

2.2 溶胶─凝胶法

溶胶—凝胶法是利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理等过程中留下小气孔，形成可控孔隙结构。由溶胶向凝胶的转化过程中，体系的粘度迅速增加，从而稳定了已经产生的气泡，有利于发泡。溶胶─凝胶方法主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料，气孔分布均匀，现已成为无机分离膜制备工艺中最为活跃的研究领域。

2.3 添加造孔剂法

通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫陶瓷。造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫陶瓷材料气孔的形状和大小。利用这种方法可以制得形状复杂的泡沫陶瓷制品，但制品气孔分布的均匀性较差。造孔剂在加热过程中要易于排除。造孔剂的种类和用量的选择是该方法的关键。造孔剂分为有机造孔剂和无机造孔剂两种。碳酸铵、碳酸钙、氯化铵、碳酸氢铵等高温可分解盐类以及各类碳粉、煤粉等，属于无机造孔剂；天然纤维、高分子聚合物和有机酸等属于有机造孔剂。

2.4 有机前驱体浸渍法

该方法基本思路是：首先将有机泡沫浸渍到陶瓷料浆中，经过干燥后，在高温烧成过程中使有机泡沫脱离母体就可以获得泡沫陶瓷。通过控制浆料性能，优化无机粘结剂体系，严格控制浆料浸渍工艺过程，可以制备高性能的泡沫陶瓷制品。该方法是目前泡沫陶瓷最理想的制备方法，用该方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域获得大量应用。但是有机前驱体浸渍法存在一个明显的缺陷，即有机泡沫体的网眼尺寸是有限的，这在一定程度上制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径和结构。针对这一缺陷，采用三维网状有机泡沫材料为载体，首先用浸渍工艺制备出疏松多孔结构坯体，并经过排塑、预烧处理获得具有一定强度的预制体，再通过对预制体进行进一步表面处理，可以很好地解决这一问题。

2.5 注模法

注模法是将有机单体溶液与陶瓷粉体、引发剂和催化剂球磨混合成均匀浆料，然后浸渍聚合物泡沫使之在泡沫网络骨架表面形成涂层，最后有机单体在引发剂和催化剂作用下产生原位聚合反应，使浆料凝固。其关键技术是如何控制料浆内部及添加剂的原位化学反应，使陶瓷料浆原位凝固形成坯体。该方法能够制备机械强度高、微观结构均匀，结构致密的泡沫陶瓷。此法具有灵活的可调性，可以根据材料性能的要求自由控制凝固时间，同时可以实现复杂形状成形，从而制备形状复杂，具有特殊要求的陶瓷材料。它是一种被广泛应用的新型成形方法，工艺简单，适合大批量生产。[3]

2.6 高温自蔓延(SHS)合成法

高温自蔓延合成方法是一种高放热无机化学反应，其基本反应过程是：向体系提供必要能量，诱发体系局部产生化学反应，这一化学反应过程在自身放出的高热量的支持下继续进行，最后将燃烧波蔓延到整个体系。[4]SHS反应产物通常具有很高的孔隙率，利用这一特点可以制备具有多孔连续网络结构的陶瓷材料，而且通过添加造孔剂可进一步提高制品的开孔孔隙率，制备出性能优良的陶瓷材料。近年来SHS技术以其高效、节能等特点而受到关注。

2.7 微波加热工艺

微波加热工艺是指依靠物体吸收微波转换成热能，同时自身整体加热至一定温度蒸发水分并制成泡沫陶瓷，可以适当添加纤维来改善泡沫陶瓷的强度。此外，为了提高微波吸收能力，还可添加微波耦合剂，如甘油等。微波加热工艺的关键在于有机粘结剂的选择，粘结剂在常温下应具有一定的粘度，而且在一定的温度下凝固后具有一定的弹性。该工艺具有加热均匀、加热速率极快的特点，改进了泡沫陶瓷的微观结构和宏观性能。[4]

此外，还有机械搅拌法、离子交换法、有机泡沫堆积法、热压法、分相滤出法、固─气共晶法、木材热解构架法等泡沫陶瓷制备方法，在实际应用中可以根据需要选择合适的制备方法。[5]

3、泡沫陶瓷的多功能性

3.1 过滤与分离功能

作为过滤材料，多孔陶瓷具备很多优点：化学稳定性好，耐酸碱及有机溶剂；极好的耐急冷急热性能，最高工作温度可达1600℃；抗菌性能好，不易被细菌降解，不易堵塞；无毒，尤其适用于食品行业和药物的处理。可广泛应用于各种液体和气体过滤，在空气净化、工业用水、生活用水处理和污水净化等方面获得越来越广泛的应用。比如汽车尾气和发电厂烟气中的烟尘，半导体工业废水中的重金属元素等都是重要的环境污染源。让废气或废液通过泡沫陶瓷体，其中的有害物质颗粒物就会被拦截或者吸附在泡沫结构中，而净化后的气体或液体就可以排放到自然界中了。[6]

泡沫陶瓷的一个典型应用就是柴油机尾气过滤、热电厂和工业锅炉的烟尘过滤。利用泡沫陶瓷具备高孔隙度且拥有相当大的热交换面积及具有优良的热辐射特性不仅可以有效除去高温含尘气体，还可节约能源。再如利用泡沫陶瓷替代目前国内水处理行业使用的石英砂过滤材料后，可大幅提高水处理效率，减少环境污染，降低水处理成本。除臭用泡沫陶瓷催化器能使废水中有机溶剂、恶臭气体催化燃烧，达到除臭净化的目的；城市污水处理过程中，泡沫陶瓷材料也成为曝气处理所用材料。泡沫陶瓷扮演着“环境净化使者”的角色。

3.2 隔热功能泡沫陶瓷的较高的气孔率和较低的基体导热系数，使其具有热传导率低、抗热震性能优良等特性，因而具有很好的隔热保温效果。利用这种优点可以将其用于各种防止热辐射的场合，以及用于保温节能方面。因此从环保和节能两方面来说都是有利的。使用泡沫陶瓷制备的建筑材料就可以让房屋具有非常好的保温隔热效果，这种先进的材料目前在国内部分新建的住宅小区和办公楼中已经得到应用。[7]除了日常生活中的应用，泡沫陶瓷在航空航天领域也有着重要的应用，比如航天器的热保护系统就广泛采用了泡沫陶瓷材料。[8]

3.3 吸声功能由于泡沫陶瓷具有大量的由表及里的三维互相贯通的网状小孔结构，当声波传播到泡沫陶瓷上时，引起孔隙中的空气振动，并与陶瓷筋络发生摩擦，由于粘滞作用，声波转换为热能而消耗，从而达到吸收噪音的效果。[9]现在已经得到应用的包括安装在汽车排气管中间的泡沫陶瓷，用来减少汽车排气管的噪音。一些新型建筑材料也广泛采用泡沫陶瓷作为墙体材料，实践证明可以达到非常好的隔音效果。目前有人正在研究把泡沫陶瓷作为一种降音隔声屏障用于地铁、隧道、影院等有较高噪音的地方，效果很好。因此，开展泡沫陶瓷声屏材料的研究，为开发声学性能良好、重量轻、易于安装维护的公路声屏障吸声材料具有重要的实用价值。

4、展 望

近年来，泡沫陶瓷的应用领域已经扩展到航空、电子、医用及生物化学等领域。可以预见，各应用领域对泡沫陶瓷的需求量将不断扩大，特别是对高性能泡沫陶瓷的需要将快速增长。随着改善环境呼声的不断高涨，将会促进泡沫陶瓷的飞速发展，为泡沫陶瓷的应用开创更广阔的空间。高科技泡沫陶瓷在环保领域的应用展现出其作为一种绿色环保材料的重要意义和应用价值。如何进一步简化生产工艺、降低成本、提高效益，不断发明新的技术和工艺来制备功能强大、性能优异的环保泡沫陶瓷材料正成为当今材料科技工作者积极思考的课题。

[1]钦征骑．新型陶瓷材料手册．南京：江苏科学技术出版社，1995

[2]朱小龙，苏雪筠．多孔陶瓷材料[J]．中国陶瓷，2000．36(4)：36—39．

[3]戴春臂，杨金龙．黄勇．凝胶注模成型延迟固化研究[J]．无机材料学报．2005，200(I)：83—89．

[4]王连星．泡沫陶瓷的研究进展[J]．耐火材料，1997，(1)

[5]日本工业调查会．最新精细陶瓷技术[M]．陈俊彦．译．北京：中国建筑工业出版社，1988：181—192．

[6]刘辉，孙伟．等．多孔陶瓷材料的应用及发展前景[J]．矿业工程，2003．26(6)：69—71．

[7]Tanev PT，Pinnavaia TJ．Biomimetic Templating of Porous Lamellar Silica by Vesicu Larsur fact ant Assemb lies[J]．Science．1996(271)：1267—1269．

[8]Sugiyama K．Preparation of Low Density Free Standing Shape of SiC by Pressure Pulsed Chemical Vapor Infiltration[J]．J Mater SciLetters，1995(14)：1720—1726．

[9]张守梅,曾令可等.环保吸声材料的发展及展望[J]．陶瓷学报，2002．23(1)；56—6O[10]Aoki Y．Mc Enaney B．Si C Foams Produced by Siliciding Carbon Foams[J]．Br Ceram Trans，1995，94(4)：133—1

PREPARATIONAND MULTI-FUNCTIONALITIES OF FOAMEDCERAM ICS

Foamed ceramics is an important type of porous materials,which possess new mul ti-functionalities owing to i ts special porous characteristics.Based on the latest l iteratures,the preparation methods are systematical ly summarized and compared in details in this paper.It is pointed out that foamed ceramics show mul ti-functionalities such as excel lent f il tration and separation,acoustic absorption,thermal insulation and so on.

foamed ceramics;preparation;mul ti-functional ities

刘 阳(1977-)，女，2003年毕业于辽宁师范大学，获硕士研究生学位。现在沈阳建筑大学材料学院工作，讲师，主要研究方向是物理有机化