多孔陶瓷的制备方法、性能表征和建筑节能领域的应用

黄立斌 梁婉兴 徐晓燕

（广州质量监督检测研究院）

多孔陶瓷的制备方法、性能表征和建筑节能领域的应用

黄立斌 梁婉兴 徐晓燕

（广州质量监督检测研究院）

多孔陶瓷不仅具有传统陶瓷耐高温、耐腐蚀、高化学稳定性等优点，还有较低的导热能力，具有良好的保温特性。本文介绍了多孔陶瓷的主要制备方法、性能表征和在建筑节能领域的应用。

多孔陶瓷；建筑节能；保温

1 前言

多孔陶瓷发展始于19世纪70年代，是一种内部含有大量不同尺寸和形态孔洞的无机材料。它是由各种颗粒料与结合剂组成的坯料，经过成型、烧成等许多复杂的工艺制得的。多孔陶瓷不仅具有传统陶瓷耐高温、耐腐蚀、高化学稳定性等优点，因其具有大量的气孔，比表面积大，密度低，可调的孔径分布已经被广泛应用于航空航天、能源、机械、冶金、化工、环保、军工、电子、生物和医学等多个科学领域。由于其应用范围广而引起科学界极大的关注。多孔陶瓷根据气孔尺寸可分为微孔材料（＜2nm），介孔材料（2～50nm），宏孔材料（＞50nm），其气孔率最大可达90%［1］。

2 多孔陶瓷的制备方法

2.1 有机泡沫浸渍工艺

有机泡沫浸渍工艺是用有机泡沫浸渍陶瓷料浆，干燥后烧掉有机泡沫，从而使陶瓷产生孔洞。有机泡沫体具有开孔三维网状骨架的特殊结构。因此烧掉有机泡沫后获得的孔隙是网眼型的。该法适于制备高气孔率、开口气孔的多孔陶瓷。有机泡沫材料的孔径大小和浆料在其上的覆厚度［2］对最后制品的孔径尺寸起着决定性的作用。

2.2 发泡工艺

发泡工艺是在1973年被Sundermann等［3］发明。原理是在陶瓷组分中加入有机物或无机质，在烧成阶段该物质会通过化学反应产生气体，从而形成孔洞，制成多孔陶瓷。该法特别适用于制备闭气孔的陶瓷材料。发泡法可以更好地控制气孔的尺寸和形状，使制品具有更好的可控性。

2.3 添加造孔剂工艺

在陶瓷配料中加入造孔剂，造孔剂在坯体中占据一定的空间。在烧成阶段，造孔剂受到高温的作用形成气体挥发而在制品中留下气孔。与传统的陶瓷工艺相比，此工艺只是在陶瓷配料中多加入造孔剂，制造工艺没有很大改变，适用于低成本的企业选用。造孔剂种类和加入量［4］对多孔陶瓷的孔径分布和气孔率起着决定性的作用。

2.4 溶胶-凝胶工艺

溶胶-凝胶工艺主要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，形成可控多孔结构。这种方法大多数产生纳米级气孔，多用来生产微孔陶瓷。但此法采用大量的有机物，成本高，产量低［5］，不利于工业化大规模的生产。

2.5 颗粒堆积工艺

凭借骨料颗粒按一定堆积方式可以形成的颗粒空隙。在烧结过程中，粘合剂在高温下产生液相，使陶瓷颗粒相互接触的部分被烧结在一起，颗粒间的空隙形成相互贯通的微孔。通过控制骨料的粒径和粒径分布，便可以获得孔径为0.1～600μm的微孔陶瓷。骨料颗粒的形状、粒径、粒径分布、各种添加剂的含量和烧成制度［6］对微孔体的孔径分布和孔径大小有直接影响。

2.6 新型制备工艺

多孔陶瓷要适应人们更高的要求，制备工艺就必须不断地创新和发展。因此，出现了冷冻干燥工艺、梯度构造工艺、生物形态多孔陶瓷［7］等新型的制备工艺。其中，生物形态多孔陶瓷制备工艺的原理是利用生物材料为模板制备独具特殊孔隙结构的遗态材料，再利用遗态材料制成多孔材料。生物材料具有多样性，多维多层次孔隙结构。而由该工艺制得的多孔材料也具有结构多样性，发展潜力大。

3 多孔陶瓷的性能表征

3.1 气孔率

多孔陶瓷的重要特征是具有较多的均匀可控的气孔。气孔有开口气孔和闭口气孔之分，显气孔率［8］是指开口气孔（指与大气相通的气孔）的体积与试样总体积的百分率。开口气孔具有过滤、吸收、吸附、消除回声等作用，而闭口气孔则有利于阻隔热量、声音以及液体与固体微粒传递。

3.2 孔径和孔径分布

孔径和孔径分布是多孔陶瓷一个极其重要的性质，孔径的大小和分布直接影响到其他一系列的性能。因此在选择多孔陶瓷时，孔径的大小和分布是必须要考虑的一个重要因素。测定多孔陶瓷孔径和孔径分布的方法有显微法、蒸汽渗透法和气体泡压法［9］等。随着孔径的减小，气孔中的对流传热会降低，能起到更好的隔热效果［10］。

3.3 力学性能

应用多孔材料时大多要求满足一定的力学性能，这些力学性能参数主要包括抗压强度、抗弯强度［11］。多孔陶瓷材料一般由金属氧化物、二氧化硅、碳化硅等经过高温煅烧而成，这些材料本身具有较高的强度，煅烧过程中原料颗粒边界部分发生融化而粘结，形成了具有较高强度的陶瓷。但由于气孔的存在会明显降低陶瓷的力学性能。气孔的分布、气孔大小、气孔率都会对力学性能产生影响，随着气孔率的增加，多孔陶瓷的力学性能会急剧下降。

3.4 隔热性能

多孔质隔热材料有效热导率公式［12］为：Ke=（1-P）Ks+PKg+4dσT3。根据公式可以看出，随着气孔率的增加，气孔的尺寸的减少，材料导热能力越差，隔热性能越好。但随着孔隙率的增加，陶瓷力学性能会急剧的下降。因此在选择多孔陶瓷时，必须考虑两者的平衡，达到最好的效果。

4 多孔陶瓷在建筑节能领域的应用

建筑物隔热保温是节约能源、改善居住环境和使用功能的一个重要方面。建筑能耗在人类整个能源消耗中所占比例在30%～40%，绝大部分是采暖和空调的能耗，故建筑节能意义重大。多孔陶瓷导热系数低，能够非常有效地减少热量的散失，并且耐久性好，与水泥砂浆、混凝土等相容性好，吸水率低，耐候性好，施工工序少［13］。因此多孔陶瓷是一种良好的建筑节能材料。

由于闭孔能够很好地阻碍气体间的对流换热，使得材料的传热更加困难。在相同气孔率的情况下，闭孔型多孔陶瓷的导热系数比开孔型小。因此，发泡工艺作为有效的闭孔型多孔陶瓷的制备方法被广泛用于建筑节能保温多孔陶瓷的生产。因此在建筑节能领域，科学家们主要是针对发泡工艺进行研究。

多孔陶瓷的气孔率已经相当高，增大气孔率对多孔陶瓷的节能性能已经影响不大。研究重点更多的是关注在生产方面。在原料方面，由于国家的矿产等资源的日渐减少，陶瓷原料的不断减少，造成了陶瓷成本的大大增加。如马龙等人［14］对采用工业废渣赤泥生产发泡陶瓷进行了试验。在孔径尺寸和分布方面，目前对孔径尺寸和分布的控制主要手段有两个：一是通过选择不同的发泡剂或者改变发泡剂的加入量进行控制。吴丽娜等人［15］对发泡剂的种类和特性进行全面的分类和归纳；二是通过改进生产工艺，对整个生产工艺实现更精密的控制，减低生产过程中的不确定性。

5 结语

多孔陶瓷的传统制备方法已经较为成熟，新方法也在不断拓展，为其技术发展奠定重要基础，其性能表征也已经面面俱到。这对其性能提供专业的评价。但在建筑领域，科研技术转化为生产的比率较低，生产工艺单一。未来需要以科研技术作为基础，加大生产能力的投入，这样才能让人们体会到多孔陶瓷带给生活的改变。●

［1］王圣威，金宗哲，黄丽容.多孔陶瓷材料的制备及应用研究进展［J］.硅酸盐通报，2006，25（4）:124-129.

［2］时利民，赵宏生，闫迎辉，唐春和.开孔多孔陶瓷的制备技术［J］.材料工程，2005，12:57-61.

［3］Sundermann E，Viedt J.Method of manufacturing ceramic foam bodies［J］.US Pat，No.3745201，1973-07-10.

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

［5］张智慧，李楠.多孔陶瓷材料制备方法 ［J］.材料导报，2003，17（7）:30-31.

［6］朱新文，江东亮，谭寿洪.多孔陶瓷的制备、性能及应用:（Ⅰ）多孔陶瓷的制造工艺［J］.陶瓷学报，2003，24（1）:40-45.

［7］贺辛亥，王俊勃，苏晓磊，秦辉，杨敏鸽，申明乾.生物形态多孔陶瓷的研究进展［J］.硅酸盐通报，2011，30（1）:105-110.

［8］罗民华，曾令可.多孔陶瓷的表征和性能测试技术（下）［J］.佛山陶瓷，2004，2:3-6.

［9］罗民华，曾令可.多孔陶瓷的表征和性能测试技术（上）［J］.佛山陶瓷，2004，1:5-9.

［10］吴朝齐.隔热保温多孔陶瓷材料性能研究［D］.上海：华东理工大学，2012，1-54.

［11］梁永仁，张露，崔树茂，杨志懋，丁秉钧.多孔材料表征与性能测试［J］.材料导报网刊，2006，2:56-59.

［12］罗森诺W M.传热学基础手册 ［M］.科学出版社，1992.304-341.

［13］邵国新，吴志，张源.发泡陶瓷保温板外保温系统建筑应用与质量控制［J］.建筑节能，2010，11:57-61.

［14］马龙，李国忠，姜葱葱.用赤泥生产发泡陶瓷保温材料的试验室初探［J］.建筑砌块与砌块建筑，2013，1:45-47.

［15］吴丽娜，黄玉东，王志江，刘丽.发泡工艺制备多孔陶瓷研究进展［J］.中国陶瓷，2010，46（3）:5-8.