泡沫陶瓷的研究现状与应用进展*

张文毓

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所 河南 洛阳 471023)

前言

泡沫陶瓷是具有高比面积、高气孔率、低密度、低热传导系数，对液体和气体介质有选择透过性，并具有能量吸收和阻尼特性等优异性能的新型材料，且孔道呈互相连接的迷宫式三维网状结构的多孔体，在熔融金属、气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、吸声减震、高级保温材料、生物材料、特种墙体材料和传感器材料等方面作用显著，广泛应用于环保、能源、化工、生物等领域。

从广义上讲，具有泡沫孔洞，或用有机泡沫做填充载体、烧失得到的多孔陶瓷都可称为泡沫陶瓷。但从严格意义上来说，泡沫陶瓷是专指使用聚氨脂或其它有机材料的开孔泡沫塑料作为支撑载体，浸挂陶瓷浆料成形，之后在烧成过程中同时去除有机载体，得到的高孔隙率制品。泡沫陶瓷一般用作铸造行业的熔融金属过滤，其有堇青石、莫来石、氧化铝、碳化硅、氧化锆等多种材质。而目前应用较多的是氧化铝、碳化硅、氧化锆3种。其中，氧化铝泡沫陶瓷主要用于金属铝和铝合金过滤；碳化硅泡沫陶瓷用于铸铁及有色金属过滤；氧化锆泡沫陶瓷用于不锈钢及更高温合金过滤等[1]。

1 概述

泡沫陶瓷材料最早于20世纪70年代由美国科学家利用氧化铝和高岭土等原料研制成功， 是一种具有高温特性的多孔材料。我国对氧化铝泡沫陶瓷的研究起步较晚， 于20世纪80年代初才开展相关研究工作。泡沫陶瓷作为第三代多孔过滤陶瓷， 以其密度小、气孔率高、耐高温、比强度高、耐腐蚀等优良特性被广泛应用于金属熔液过滤、隔热隔音材料、汽车尾气处理、电工电子领域、医用材料领域以及生物化学等领域。它制造工艺简单，通过选择不同的材质， 并控制加工工艺过程， 可以制成适合于不同用途的泡沫陶瓷产品。氧化铝泡沫陶瓷是使用最早的一类泡沫陶瓷，也是泡沫陶瓷3大类( 氧化铝、碳化硅、氧化锆) 中的一个重要分支， 被广泛使用于铝及其合金铸造行业。

1.1 泡沫陶瓷的定义

泡沫陶瓷是一种无机非金属材料，是以陶瓷原矿、页岩、陶瓷工业废渣、粉煤灰、煤矸石、大理石尾矿、炉渣等等无机材料作为主要原料，掺加一定比例的发泡剂、助溶剂等经过混合、制粉、填料等工艺，再经高温焙烧而成的高气孔率陶瓷材料，或用有机泡沫做填料烧失得到的多孔陶瓷材料。泡沫陶瓷可采用低值低质的页岩、工业废渣，对环境保护和降低能耗有更大优势。在同等导热系数值时，泡沫陶瓷的抗压强度和抗折强度要大于泡沫玻璃，使用更安全[2]。

1.2 泡沫陶瓷的分类

泡沫陶瓷有多种分类方法。按孔隙之间关系分类可分为:闭口气孔和开口气孔2种。泡沫陶瓷按材质又可分为以下几种:

1)铝硅酸盐材料。

2)高硅质硅酸盐材料。

3)静陶质材料。

4)硅藻土质材料。

5)刚玉和金刚砂材料。

1.3 制备方法

泡沫陶瓷材料的制备方法很多，其中应用较成功的有：有机物燃失法、添加造孔剂方法、发泡方法、有机前驱体浸渍法及溶胶-凝胶方法等。在实际生产中，往往同时采用多种工艺方法，以提高产品的气孔率。

制备工艺发展包括凝胶注模工艺和自蔓延高温合成工艺。另外，还有诸如泡沫前驱体反应法、有机泡沫堆积法、水热-热静压工艺、微波加热工艺、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。

1.4 泡沫陶瓷的特点

泡沫陶瓷作为一种新兴的陶瓷材料有很多优良的特点 。

1)耐腐蚀性强。通过材质的选择和工艺控制, 可制成适用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷。

2)良好的机械强度和刚度。在较大的应力负载下, 孔的形状不会发生变化。

3)很强的耐高温性。热膨胀系数低, 可以过滤熔融的金属熔液或高温燃气[3]。

1.5 泡沫陶瓷的主要用途

泡沫陶瓷是一种造型上像泡沫状的多孔陶瓷，它是继普通多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后，最近发展起来的第三代多孔陶瓷产品。这种高技术陶瓷具有三维连通孔道，同时对其形状、孔尺寸、渗透性、表面积及化学性能均可进行适度调整变化，制品就像是“被钢化了的泡沫塑料”或“被瓷化了的海绵体”。作为一种新型的无机非金属过滤材料，泡沫陶瓷具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单、使用寿命长及良好的过滤吸附性能等优点。与传统的过滤器如陶瓷颗粒烧结体，玻璃纤维布相比，不仅操作简单、节约能源、成本低，而且过滤效果较好。泡沫陶瓷可以广泛地应用于冶金、化工、轻工、食品、环保、节能等领域。目前泡沫陶瓷的主要用途是：

1)熔融金属过滤用泡沫陶瓷。

2)多孔介质燃烧器用泡沫陶瓷。

3) 高温烟气处理用泡沫陶瓷。

4)中高温固体氧化物燃料电池电解质系。

5)汽车尾气催化净化器、节能建筑材料等领域[4]。

2 研究现状

自20世纪70年代美国首先研制出泡沫陶瓷过滤器以来，泡沫陶瓷研究就得到了各国研究者极大的重视，现已成功研制出了适合不同用途的泡沫陶瓷，如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、碳化钛、硼化物、莫来石、锆刚玉-莫来石、镁铝尖晶石等高温泡沫陶瓷。

2.1 国外研究现状

自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土之类陶瓷原料研制成功泡沫陶瓷并用于熔融铝合金铸造过滤之后，英国、日本、德国、瑞士等国家竞相开展了生产工艺的研究，技术装备越来越向机械化、自动化发展。目前，已研制出多种材质、适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤材料，如Al2O3、ZrO2、SiC、莫来石、堇青石、氮化硅以及硼化物等高温泡沫陶瓷材料，产品已系列化、标准化，形成了一个新兴产业生产链。

目前，国际工业发达国家的铸造行业，已普遍采用金属熔体过滤工艺。通过使用表明，运用泡沫陶瓷过滤技术可使铸件夹杂物含量大幅降低、合格率大幅度提高(可提高50%以上)， 可提高铸件的机械性能、延长金属切削加工的刀具寿命。据报道，在生产生铁铸件时，采用泡沫陶瓷过滤器，可使产品的合格率提高到80%。当灰口铁和可锻铸铁采用泡沫陶瓷过滤器进行净化、生产汽车用曲轴时， 仅机械加工车间的废品率就从35%降低到0.3%。在连续铸钢中，采用泡沫陶瓷过滤，能使不锈钢中非金属夹杂物的含量大约减少20%。英国Foseco公司研制的泡沫陶瓷过滤器可消除比10 μm 小得多的夹渣， 经过滤的铝合金压铸件比过滤前的铸件，在机加工时刀具磨损量减小50%， 过滤使铁素体球铁的疲劳强度提高10%左右，道具磨损减少0.04～0.1 mm[5]。

2.2 国内研究现状

我国在20世纪80年代初开展泡沫陶瓷研究工作，并取得较大进展，部分产品已经标准化、系列化。但是我国泡沫陶瓷整体技术水平上与国外相比尚有一定差距。

随着国内对金属制品纯度、性能等要求的提高，泡沫陶瓷过滤技术及其产品的应用日益重要。泡沫陶瓷过滤技术在冶金铸造工业方面的应用也越来越广泛。

1985年哈尔滨工业大学叶荣茂等成功地研究出了用于铸铁、不锈钢过滤的泡沫陶瓷过滤器，填补了我国空白。山东工业陶瓷研究设计院是国内研究、开发泡沫陶瓷比较早的单位，目前开发的产品品种、质量以及生产能力居国内前列，并制定了《泡沫陶瓷过滤板》建材行业标准。目前我国用于有色金属熔体即铝、铜合金熔体过滤的泡沫陶瓷过滤板，其产品质量可与美国Astro公司相媲美，但是目前还未形成生产规模，尚处于开发阶段。为了得到性能优异的泡沫陶瓷，制备工艺也在不断改进，最为可行的方法是有机泡沫浸渍法。上海硅酸盐研究所的朱新文等用有机泡沫浸渍法来制备SiC泡沫陶瓷，收到了良好的效果[6]。

哈尔滨理工大学于1982年最早研制出用于铝合金过滤的泡沫陶瓷过滤器。此后，该校又陆续开发出可用于黑色金属过滤的泡沫陶瓷过滤器。在此期间，沈阳铸造研究所、上海机械制造工艺研究所、湖北省机电研究设计院、南昌航空工业学院、东风汽车公司等单位也先后开展了泡沫陶瓷过滤器的研究工作，均取得了丰硕成果。

近20多年来， 已先后有多家科研机构和厂家进行了泡沫陶瓷制品的探索研究。熔融金属过滤用泡沫陶瓷国产产品已基本上可满足日益增长的国内需要，有的品种还大量出口，只有少数高端产品尚需进口。

3 应用进展

泡沫陶瓷的应用开始于19世纪70年代，当时主要用于高温熔融合金过滤。后来，随着泡沫陶瓷使用范围的不断扩大，其应用领域也在逐渐扩大，由过滤、热工等领域逐渐扩展到隔热、吸音、电子、光电、传感、环境生物及化学领域。例如, 泡沫陶瓷可被用作陶瓷传感器的湿敏和气敏元件、高速电子系统的衬底材料、燃料电池的多孔电极、电池的分离介质和电极等。

作为一种具有三维网状结构的新型多孔陶瓷材料，泡沫陶瓷具有容重低，气孔率高，比表面积大，渗透性好，强度高，隔音和隔热性能优良，耐高温和耐酸碱腐蚀能力强，热传导率低，抗热震性能优良，化学性能稳定，对气体压力损失小，过滤吸附性好，电、磁、光学等性能优良，寿命长，再生简单等诸多特性，因而被广泛应用于冶金、化工、航空航天、汽车、电子、医学等领域，可用于隔热材料、绝缘防渗材料、隔热隔音材料、特种填料、吸音材料、催化剂及催化剂载体、熔融金属和热气过滤器、汽车尾气净化器、多孔介质燃烧器、分离膜、热交换器、燃料电池的电极及隔膜、传感器、热敏电阻、多孔压电陶瓷等，应用前景广阔。

泡沫陶瓷是具有三维空间网架结构高气孔率的多孔陶瓷体，其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海绵体。由于它具有气孔率高、比表面积大、抗热震性、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能，可广泛应用于热交换材料、布气材料、汽车尾气净化装置、冶金工业熔融态金属过滤(如铝合金、铜合金、钢水、铁水等)、热能回收(如钢材连续加热炉上的热交换器、燃煤锅炉烟尘的隔热交换和过滤除尘)、工业污水处理(如采矿业处理带毒气的液体)、隔热、隔音材料等。近年来，泡沫陶瓷材料的应用领域又扩展到了航空领域、电子领域、医用材料领域及生物化学领域等。泡沫陶瓷的广泛应用已引起了全球材料界的高度重视，制备高强度、孔径均匀、性能稳定、高度有序的泡沫陶瓷体，拓宽和开发泡沫陶瓷在国内各行业中的应用，无疑是十分必要的[7]。

泡沫陶瓷在工业、环保和医疗等领域具有广泛应用，可用作轻质结构材料、高温窑炉隔热材料、吸声材料、催化剂载体、熔融金属液过滤器、环境污染物吸收剂、化学反应器、太阳能接收器、导弹天线罩和骨移植材料等。泡沫陶瓷的性能和应用领域主要取决于泡沫陶瓷的孔特性。因此，在制备过程中控制泡沫陶瓷的孔特性极其重要。关于泡沫陶瓷材料在新领域应用的报道很多，较新的应用领域归纳起来主要有以下几种。

3.1 环境材料

随着现代工业的发展，各行业在生产中排放的有害气体和废水也越来越多，如果处理不当，就会影响到人们的生存环境，所以环境保护成为时代的主题。泡沫陶瓷在汽车催化转化器的应用已经有很长时间；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；采用耐高温且有足够强度的抗热震性、高渗透性泡沫陶瓷可有效地除去高温含尘气体中的杂质。现在泡沫陶瓷已经广泛应用于汽车尾气、工业废水废气、生活废水的处理问题上。

3.2 隔热材料

在泡沫陶瓷中由于闭气孔的存在，降低了其放热效率，减少了热传播过程中的对流，使泡沫陶瓷具有热传导率低、抗热震性能优良等特性，是一种理想的耐热材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖，其材质有ZrO2、SiC、Si3N4和镁质材料等，使用温度高达1 600 ℃。目前，世界上最好的隔热材料正是这类材料，称之为“超级绝热材料”，被应用于航天飞机外壳隔热等。

作为外墙外保温隔热材料，泡沫陶瓷保温板是以陶土尾矿、陶瓷碎片、炉渣等作为主要原材料，用发泡技术高温焙烧形成多孔、热传导率低、耐高温、耐候性、不燃的闭孔陶瓷保温材料。泡沫陶瓷板外墙外保温系统由粘结砂浆、泡沫陶瓷板、抹面砂浆、增强网、锚栓、墙面涂料构成。

目前我国外墙保温发展很快，是节能工作的重点。泡沫陶瓷作为一种新型外墙外保温材料，具有热传导率低、不燃、防火、耐久性好、与建筑同寿命、与水泥砂浆、混凝土等相容性好、吸水率低、耐候性好、质量通病少等优异的综合性能，并且能够消化利用大量固体废弃物，是真正的绿色节能新材料。随着其生产成本进一步降低以及保温性能的进一步提升，有望大规模应用于建筑外墙外保温板、防火隔离带、隔墙条板、屋面防水保温板、自承重自保温墙体砌块、隔音消声板材或砌块及其他有较高防火隔热保温要求的领域[8]。

在科技高速发展的今天，建筑节能环保材料进入了更快的发展阶段，泡沫陶瓷外墙保温体系满足国家关于建筑节能工程的有关要求，符合环境保护的相关政策，有利于推进可再生能源与建筑结合配套技术规模化应用，符合国家能源结构转型的政策方向，如进一步推广应用则其经济效益、社会效益(包括环保效益、节能效益)将更加显著，具有广阔的应用前景。

3.3 汽车尾气净化处理器催化剂载体

汽车尾气排放是我国环境污染的主要来源之一。由于泡沫陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、不易中毒，被广泛应用于汽车尾气催化净化器载体。当泡沫陶瓷滤芯积满碳粒时，可以采用催化氧化法或电控燃烧法再生，延长使用寿命。

泡沫陶瓷具有良好的吸附能力和活性。被覆催化剂后，反应流体通过泡沫陶瓷孔道，将大大提高转化效率和反应速率。由于泡沫陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特点，作为汽车尾气催化净化器载体已被广泛使用。将泡沫陶瓷汽车尾气催化器安装在汽油车排气管中，可以使汽油车排出的CO、NO有害气体转化成CO2、H2O、N2，转化率可达90% 以上；用在柴油车上，碳粒净化率在50% 以上。除了作催化剂载体外，它还可以作为其它功能性载体，例如药剂载体、微晶载体、气体储存等。

3.4 燃烧器

泡沫陶瓷材料近年来的又一个用途是作为多孔介质燃烧器。因其通过陶瓷材料提供的良好热交换降低了火焰温度，故在惰性多孔陶瓷表面内或在接近多孔陶瓷表面处进行各种燃料的预混合燃烧，从而节省了能量，并显著降低了COX和NOX排放。

3.5 吸声材料

泡沫陶瓷具有大量三维空间网络结构的孔隙。声波传入多孔体内部后，引起孔隙中的空气产生振动并使陶瓷筋络发生摩擦。由于粘滞作用，声波转变为热量而消失，从而达到吸收声音的效果。

目前有研究正在把泡沫陶瓷作为一种降音隔声屏障用于地铁、隧道、影院等。美国、日本、德国和澳大利亚等发达国家采用泡沫陶瓷修建的高架桥和高速公路的消声隔音屏障, 取得了非常好的降噪效果。泡沫陶瓷适宜在高温、潮湿的环境下使用，能经受风吹、日晒、雨淋和水浸，具有比较稳定的力学性能和良好的吸声性能。

随着噪声污染的加剧和人们环保意识的增强，吸声材料将会得到快速发展，探索和采用新工艺来拓宽泡沫陶瓷的吸声频带、提升吸声性能仍将是研究热点，同时研究人员还需要加强在吸声泡沫陶瓷的应用技术方面的研究，提高其产业化水平。除此之外，目前吸声泡沫陶瓷在应用中功能较单一，未来还可以向功能复合材料方面发展，如利用吸声泡沫陶瓷比表面积大的特性，在制备过程中掺入光触媒，赋予其杀菌、有毒有害气体分解或空气净化功能，提升吸声泡沫陶瓷的环保附加价值[9]。

3.6 生物材料

目前很多科研单位正致力于多孔羟基磷灰石生物陶瓷材料的研究。用添加造孔剂和制备泡沫陶瓷的方法研制多孔羟基磷灰石生物陶瓷，其相互连通的孔隙有利于组织液的微循环, 促进细胞的渗入和生长。研制出的泡沫陶瓷羟基磷灰石人工骨和义眼已经用于临床实验，引起了医学界和材料学界的关注。国外利用泡沫生物陶瓷修复头盖骨、大腿骨、脊椎骨、人造齿根等临床实验均已获成功[10]。

3.7 用作特种材料

有敏感功能的泡沫陶瓷被用作传感器；纳米结构的泡沫陶瓷经加工制备新型材料；泡沫陶瓷还可做成光触媒载体，在泡沫陶瓷载体上涂覆纳米二氧化铁，受紫外线激发，具有强烈的光催化氧化降解特性，可催化降解有机物和微生物，从而净化空气等[11]。

利用电渗透现象，可作为电解法生产双氧水的隔膜，提高电池寿命。应用泡沫陶瓷作一次电池、二次电池、碱性电池、熔盐电池和嫩料电池的隔膜，可以明显提高电池的寿命。用微孔陶瓷可制作土壤盐分、水分测量传感器。利用泡沫陶瓷均匀分布的气孔，对气焊时回火的氧-乙炔混合可燃气体有阻燃止火作用，可作阻燃止火器。还可根据气孔对高速高能噪音阻滞、耗损作用制成泡沫陶瓷消声器。除了上述用途之外，泡沫陶瓷还可以做成传感器、微孔膜、化工塔填料、布气材料、煤气灶节能燃烧板等[12]。

3.8 传统应用过滤器

最早的泡沫陶瓷过滤器是1978 年美国Consolidated Aluminum 公司的R R Mollard和N Davison研制成功的铝合金用泡沫陶瓷过滤器, 其商品名为Selee/Al 。1984 年又研制出了用于过滤黑色金属的泡沫陶瓷过滤器Selee/Fe。

日本在铸造用泡沫陶瓷过滤器的开发和应用方面也发展较快, 其材质有堇青石(2MgO·Al2O3·5SiO2)、莫来石(3Al2O3·2SiO2)、Al2O3、SiC 和Si3N4等。

英国泡沫陶瓷过滤器的研制开发起步也较早。英国著名的Foseco公司在20世纪80年代前期就已成功地研制出了过滤有色合金(特别是铝基和铜基合金)的泡沫陶瓷过滤器(型号为Sivex),及过滤大部分铸铁、部分高熔点铜合金的泡沫陶瓷过滤器(型号为Sedex)[13]。

近20年来，经过铸造工业化程度的提高，泡沫陶瓷过滤器及其在液态铸造合金过滤领域的应用已得到了长足发展。据不完全统计，国内迄今已有近十条泡沫陶瓷过滤器生产线投入生产，年生产总量已达数百万片。但据测算，我国铸造行业的潜在年需求量约1亿片左右。过滤片的应用尤其是泡沫陶瓷过滤片的应用，有效地消除了夹杂类缺陷、减轻气孔类缺陷倾向，成为现代铸造生产中生产中高端铸件的有效手段之一。

用于水源净化、空气净化等方面。并且在各种化工过滤, 特别是熔融体、医药过滤等方面的应用以其耐各种腐蚀的优点而更为突出。如铝合金在熔化和形成铸件过程中，容易吸收气体和混入非金属杂物，从而降低铸件的使用和加工性能。目前研制成功的泡沫陶瓷过滤片为铝合金的生产提供了一种新型、高效率的过滤器。此外，泡沫陶瓷也用于铜合金、钢铁铸造过滤的过程中。由于钢铁合金的密度大、熔点高，要求泡沫陶瓷的高温强度、软化温度以及抗热冲击性都要比过滤铝和铜高。通常选用氧化铝和碳化硅质的泡沫陶瓷过滤片, 滤片网眼尺寸一般为2～3 mm 。

绿色铸造和升级转型是当今铸造的主旋律，继续加大泡沫陶瓷过滤片的推广应用，提高我国铸件整体内在质量。不仅要在传统的砂铸工艺上推广泡沫陶瓷过滤技术，也要在熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、覆砂铁型、失模铸造等特种工艺及新工艺上进行推广，除铸铁领域，还要进一步推广泡沫陶瓷过滤片在铝合金、铜合金、铸钢及高温合金等铸件生产领域的应用。

4 结语

泡沫陶瓷作为一种新兴陶瓷种类，以其较低的制造成本、操作简单的制备工艺、良好的机械性能受到了广泛的关注和应用，国际上很多国家都加入到泡沫陶瓷的研制中。我国与国外泡沫陶瓷产品相比还存在着一定的差距，有不少问题需要进一步解决。随着各应用领域对泡沫陶瓷需求量的不断扩大，特别是本世纪发展生物技术和改善环境的呼声不断高涨，泡沫陶瓷材料将会得到飞速发展。