一种新型多功能陶瓷泡沫材料的研究进展

张云霞,王保林

(1.廊坊师范学院 建筑力学实验室，河北 廊坊 065000；2.哈尔滨工业大学深圳研究生院 工程力学实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)



一种新型多功能陶瓷泡沫材料的研究进展

张云霞1,王保林2

(1.廊坊师范学院 建筑力学实验室，河北 廊坊 065000；2.哈尔滨工业大学深圳研究生院 工程力学实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

陶瓷泡沫材料的三维立体网络骨架结构,使其具有低密度、低热导率、高比表面积等优良特性，在轻结构、能量吸收和热能管理方面均有应用。首先介绍几种常用的陶瓷泡沫材料制备工艺技术，并分析各制备工艺的优缺点。随后，列举陶瓷泡沫材料在工业中的典型应用。最后，指出当前陶瓷泡沫材料应用急需解决的科学问题。

陶瓷泡沫；制备工艺；工业应用；综述

0 引言

陶瓷泡沫(Ceramic Foam)含有大量的亚结构-胞单元，具有比表面积大、热导率低、耐热性能优异等特性，这些性质引起学者们极大地关注。根据其结构组成特点，可将其分为开孔泡沫和闭孔泡沫。由固体棱柱组成的具有三维网络结构的泡沫体，称为开孔泡沫体，如图1(a)所示[1]。由棱柱和壁面组成的具有空腔结构的泡沫体,称为闭孔泡沫体，如图1(b)所示[1]。

陶瓷泡沫材料的发展始于20世纪70年代，Schwartzwalder[2]运用有机泡沫浸渍法制备了高孔隙率陶瓷，并将其过滤熔融金属，大大提高了产品质量。陶瓷泡沫产品极大的商业价值引起了科技界的重视，各国陆续开展相关的研究工作。我国在陶瓷泡沫方面的研究工作始于20世纪80年代初，据报道，哈尔滨工业大学于1982年研制出用于铝合金过滤的陶瓷泡沫过滤器。此后，南昌航空工业学院、上海机械制造工艺研究所等单位先后开展了相关工作。近年来，陶瓷泡沫材料的应用又扩展到航空[3]、电子应用[4]、热能管理[5,6]等领域，展现出良好的应用前景。

1 陶瓷泡沫材料的制备工艺

陶瓷泡沫材料具有亚结构-胞单元，因此制备陶瓷泡沫材料的关键和难点是形成泡孔，而泡孔的形状、直径、分布情况等对陶瓷泡沫的性能有着重大影响。目前，根据使用目的和使用需求，人们在传统工艺基础上发展了多种制备陶瓷泡沫材料的工艺。其中比较常用的有：有机泡沫涂层工艺[7]、添加造孔剂工艺[8]、颗粒堆积工艺[9]、溶胶凝胶工艺[10]、发泡工艺[11]等。

1.1 有机泡沫涂层工艺

有机泡沫涂层工艺，又叫有机泡沫浸渍工艺，是将制备好的陶瓷浆料均匀涂抹于网状骨架上，加热干燥后烧掉有机泡沫体，从而获得多孔陶瓷。例如：Yamada等[7]将石膏注入聚氨酯模具上，然后将石膏模具加热到773K，在加热的过程中除去聚氨酯获得多孔石膏；Nor等[12]利用商业聚合物泡沫作为模板，将陶瓷浆料注入模板，然后经过干燥烧结等过程获得陶瓷泡沫。实验发现利用有机泡沫浸渍工艺制备的陶瓷泡沫，孔隙率高，孔径大小可调，但制品形状不易控制，有机物燃烧易污染环境。其一般工艺流程图如图2所示。

1.2 添加造孔剂工艺

该工艺是通过在陶瓷配料中添加造孔剂(碳粉、氯化钠、淀粉等)，利用造孔剂在胚体中占据一定的空间，然后经过高温烧结或挥发，离开基体而在陶瓷体中留下空腔。该工艺要求造孔剂在加热过程中烧结或挥发后在基体中无残留物，且不与基体反应。Zhao等[8]利用NaCl做为造孔剂制造铝泡沫，其做法是将铝颗粒、NaCl颗粒按一定的比率混合，然后以一定的外力压入网状结构中，然后烧结。烧结温度控制在铝的融化温度，但远低于NaCl的熔点。当铝颗粒在网状结构中形成很好的连接后，冷却到室温，然后将嵌入的NaCl溶解于水中，形成多孔铝泡沫。此外，淀粉、碳粉等也可作为造孔剂制备陶瓷泡沫材料。该工艺制备的陶瓷泡沫产品气孔大小可控、形状可控，且工业简单。不足是孔分布均匀性差，且制备的孔隙率较低。

1.3 颗粒堆积工艺

颗粒体是由大量颗粒堆积而成，颗粒堆积是指粒体在空间的位置状态。颗粒堆积工艺是在骨料中加入相同组分的微细颗粒，利用骨料颗粒堆积、粘结而形成多孔陶瓷。骨料间的连接可以使用一些添加剂，它们在高温下能生成膨胀系数与骨料相匹配又能与骨料相浸润的液相，或者依靠添加与其组分相同的微细颗粒，利用其易于烧结的特点，在一定温度下，将大颗粒连接起来。Zhao等[9]利用颗粒堆积工艺，通过碳酸盐烧结，制备出孔率在50%～85%、孔径尺寸在53μm～1500μm的多孔陶瓷。多孔陶瓷孔径的大小依赖于骨料颗粒，骨料颗粒越大，多孔陶瓷的平均孔径就越大。若骨料颗粒尺寸均匀，则产生的气孔分布也越均匀。运用颗粒堆积工艺制备的多孔陶瓷制品强度高、工艺简单，但气孔率低。

1.4 溶胶凝胶工艺

溶胶凝胶工艺是将金属醇盐或无机盐作为前驱体，溶于溶剂中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集成几个纳米的粒子并形成溶胶，利用凝胶化过程中胶体离子的堆积以及热处理过程留下小气孔，从而形成可控多孔结构。这种方法一般采用无机盐作为先驱体，将先驱体水解得到溶胶，胶体离子间相互连接形成空间网状结构。网孔大多为纳米级，气孔分布均匀。通过该种方法可以制取微孔制品，易于控制气孔的大小且气孔分布均匀。但由于制造原料受限制，生产效率低，故该种工艺应用较少。该工艺制备陶瓷泡沫产品的流程图如图3所示。

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1.5 发泡工艺

发泡工艺是向陶瓷颗粒中添加发泡剂(有机或无机化学物质)，在热处理期间形成挥发性气体，产生气孔，经过干燥和烧结制备多孔陶瓷。由发泡法制备的多孔陶瓷，包括网眼型和泡沫型两种。该工艺适合制备闭气孔制品，但工艺条件较难控制。

2 陶瓷泡沫材料的应用

陶瓷泡沫材料是一种高孔隙率材料，具有很多优点：较大的比表面积、低密度、低热导率、耐高温、耐腐蚀等，这些优点与其结构和基体有关。伴随着对陶瓷泡沫材料认识的深入，陶瓷泡沫材料的应用领域从过滤、热工领域扩展到吸声、光电、生物材料、航空等领域。关于陶瓷泡沫材料在新领域的报道很多，归纳起来主要有以下几种。

2.1 过滤器

陶瓷泡沫材料早在20世纪70年代就被作为过滤器[13]广泛使用。陶瓷泡沫材料作为过滤器使用，可以分离出中间相或非金属杂质(如熔渣、废料等)，提高金属产品的质量和可靠性。此外，陶瓷泡沫过滤器不会与熔融金属发生反应，更重要的还可以减轻金属液体的湍流，延长上浮时间，从而更加有效地过滤掉夹杂物。陶瓷泡沫过滤器作为一种新型高效过滤器，引起人们的广泛关注。如今其应用已扩大到铸造工业[14]、熔模精密铸造[15]等方面。在铸造车间，通过降低废品率和减少返工降低成本，陶瓷泡沫过滤器的使用大大提高了产品的成本效益。过滤器的形态和组成成分影响它们的效率和性能，陶瓷泡沫过滤器要具有最佳的过滤性能，需要有合适的尺寸，而尺寸要根据具体应用而定。一般来讲，过滤器的孔径尺寸要足够大以防熔融金属发生湍流。

2.2 催化剂载体

陶瓷泡沫体的三维连通网状结构，使其具有良好的吸附能力。近年来，作为催化剂载体引起越来越多的关注。由于陶瓷泡沫比表面积大、热稳定性好、耐磨、低密度等特点，将催化剂极大地覆盖于陶瓷泡沫，当反应流体通过陶瓷泡沫通道时，将大大提高反应速率和转化速率，加快催化过程(包括蒸汽重整过程[15])。举例说明，催化剂附于陶瓷泡沫催化器上，安装于排气管中，可使机动车辆排出的一氧化碳、一氧化氮有害气体转化成二氧化碳、氮气等，转化率高达90%以上。陶瓷泡沫除了作为催化剂载体外，还可以作为其它功能性载体，如药剂载体、微晶载体等。

2.3 隔热材料

Liaw等[16]制备的云母-玻璃陶瓷泡沫，发现该陶瓷泡沫在温度1000℃时表现出极低的热导率以及轻微的热膨胀。隔热材料在航空航天领域同样发挥着作用，其中典型代表为导弹及各种航天器的热防护夹芯材料。Fesmire等[17]研究了运载火箭低温坦克外的喷雾泡沫隔热材料，该隔热材料可以保护坦克免受外界热环境的干扰。此外，美国航天飞机外层的绝热瓦[18]就是由陶瓷泡沫材料构成，它由一种低密度、纯度为99.8%的SiO2非晶纤维绝热层制成。孔隙率高达90%。该绝热瓦的隔热功能及热稳定性非常好。实验表明，从1260℃加热炉中取出绝热瓦，然后放入冷水中，绝热瓦仍可保持完好。

2.4 生物材料

由于陶瓷泡沫材料无毒副作用、生物相容性好、理化性能稳定等特点而被用于制作生物材料。当用于修补骨缺损部位时，新生物将逐渐填充多孔珊瑚状孔隙，慢慢将多孔陶瓷吸收。最终，新生骨制质将取代多孔陶瓷。与传统生物陶瓷相比较，生物体内不会残留任何异物，因而不易感染。国外利用多孔生物陶瓷技术修复大腿骨，人造齿根，头盖骨等，临床试验均已获得成功。

3 问题与展望

根据具体的工程应用，选择恰当的原料和工艺，有效地调控产品结构，进而提高产品的性能。陶瓷泡沫作为一种新型功能材料，其独特的结构和性能使其在机械、热工、医学、航天等领域显示出巨大的潜力。从目前的研究现状看，陶瓷泡沫的研究工作还有许多有待发展的地方，归纳如下。

(1)陶瓷泡沫材料在制备工程中，可能存在泡棱或泡壁缺省等缺陷。缺陷的存在将极大地影响陶瓷泡沫的力学性能，这方面的研究工作有待开展。

(2)陶瓷泡沫材料的应用主要局限于过滤、催化等方面，今后应进一步开发基于结构效应、纳米尺寸效应等相关的应用，拓宽陶瓷泡沫材料的应用领域。

(3)陶瓷泡沫材料具有较低的热导率，为此常被作为隔热材料应用于工程中。但陶瓷是脆性材料，故需要加深热冲击对陶瓷泡沫材料影响方面的研究。

(4)陶瓷泡沫材料具有吸声功能，目前正有学者研究将陶瓷泡沫作为一种降音隔声屏障用于地铁、隧道等较高噪音的地方。为了更好地应用，声波在陶瓷泡沫材料中的传播和吸收理论有待开展。

陶瓷泡沫材料具有多方面优越的性能，因此，发展结构可控的制备工艺，加深理论方面的研究，促进陶瓷泡沫材料更好的开发和应用将是今后研究的首要课题。

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Development of A New Multifunction Ceramic Foams

ZHANGYun-xia1,WANGBao-lin2

(1.MechanicsLaboratory,LangfangTeachersUniversity,Langfang065000,China；2.EngineeringMechanicsLaboratory,GraduateSchoolatShenzhen,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Ceramic foams with three-dimensional network structure exhibit superior properties, such as low density, low thermal conductivity and high surface area. They have numerous applications, including in light structure, energy absorption and thermal energy management. This paper first introduces several fabrication techniques for the ceramic foams and analyses merits and drawbacks of each technique. Then, some typical applications of ceramic foams are listed. Finally, critical scientific issues which are urgently required to solve are given.

ceramic foam; fabrication technique; industrial application; review

2017-03-16

廊坊市科技局项目(2016011044);廊坊师范学院博士基金(201601)

张云霞(1983-),女，博士，廊坊师范学院建筑工程学院讲师，研究方向：隔热材料、断裂。

O343.6

A

1674-3229(2017)02-0069-04