多孔氧化铝陶瓷材料的制备工艺研究进展

和祥，黄千里，陈煜辉，刘伯威，刘咏

多孔氧化铝陶瓷材料的制备工艺研究进展

和祥1，黄千里1，陈煜辉2，刘伯威1，刘咏1

(1. 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083；2. 深圳长隆科技有限公司，深圳 518100)

多孔氧化铝陶瓷具有力学性能好、耐腐蚀、比表面积大以及化学性质稳定等优点，在耐火材料、电绝缘体、耐磨机械部件、过滤材料、催化支撑体等领域得到广泛应用。常见多孔氧化铝陶瓷的造孔方法主要有部分烧结法、复刻模板法、牺牲模板法与直接发泡法，合理的造孔方法有利于获得特定孔隙结构与孔隙率。氧化铝陶瓷的常规烧结工艺通常温度高、时间长、易形成粗化晶粒与残留气孔，先进烧结技术如振荡压力烧结、放电等离子烧结、微波烧结等可有效克服上述缺点，综合提升材料的各项性能。本文从造孔方法与烧结技术两个方面综述多孔氧化铝陶瓷的研究进展，期望为新型多孔氧化铝陶瓷的研究、开发与应用提供参考。

多孔陶瓷；氧化铝；粉体原料；造孔方法；烧结技术

氧化铝(Al2O3)具有α与γ两种常见晶型，α- Al2O3(刚玉)为稳定晶型(六方结构)，γ-Al2O3为亚稳晶型(立方结构)。α-Al2O3具有高的熔点、硬度和强度以及良好的耐腐蚀性能和稳定的化学性质，广泛应用于耐火材料、电绝缘体、耐磨机械部件、磨料等领域[1]。γ-Al2O3通常由溶液结晶或氢氧化铝脱水得到，在 1 000 ℃以上可逐渐转变为α-Al2O3，1 450 ℃以上转变完全。与α-Al2O3相比，γ-Al2O3用途较有限，主要用作吸附剂、催化剂载体等。

多孔陶瓷通常指孔隙率高于30%的陶瓷材料[2]。国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)根据孔径大小，将多孔陶瓷材料分为大孔(＞50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(＜2 nm)等三类[3]。多孔氧化铝陶瓷由氧化铝粉体原料经造孔与烧结而成，其孔形式(开孔/闭孔)、孔结构(形貌、孔径等)、孔隙率等都与造孔方法密切相关。目前常用的造孔方法包括部分烧结法、复刻模板法、牺牲模板法与直接发泡法。由于熔点较高，通过传统烧结技术(常压烧结、热压烧结)制备氧化铝陶瓷材料通常温度较高、耗时较长。新型烧结技术如振荡压力烧结、放电等离子烧结、微波烧结与闪烧的应用均有助于降低烧结温度、缩短烧结时间、细化晶粒组织以及消除残余孔隙。本文针对多孔氧化铝陶瓷材料的制备过程，重点介绍其造孔方法与烧结技术的研究现状，并展望多孔氧化铝陶瓷未来的发展方向。

1 造孔方法

多孔氧化铝是由刚性氧化铝骨架与内部孔结构共同构成的一种陶瓷材料，其孔结构的构建方法主要包括部分烧结法、复刻模板法、牺牲模板法与直接发 泡法[3]。

1.1 部分烧结法

对粉末坯体进行部分烧结是制备多孔结构最传统与直接的手段。在加热过程中，坯体内的粉末颗粒之间主要通过表面扩散或蒸发凝聚发生结合。部分烧结是指在获得完全致密体之前停止烧结，以获得均匀的多孔结构。采用部分烧结技术制备多孔氧化铝陶瓷时，其内部孔径主要取决于粉末原料的尺寸，而孔隙率则主要受烧结程度的影响。OH等[4]以粒径为0.2 μm的α-Al2O3粉末为原料，采用脉冲电流烧结技术(950 ℃，15 min)制备氧化铝陶瓷的多孔结构。在烧结过程中，粉末颗粒在初始致密化时放电反应与电流−电压脉冲产生的等离子体导致粉末颗粒接触部位温度升高，并形成烧结颈[5]。在氧化铝体系中，950 ℃下主要发生表面扩散与蒸发凝聚，而不是晶界与体积扩散[6]。在此温度下，氧化铝陶瓷无法完全致密化，粉末颗粒之间仍存在残余孔隙结构，孔隙率约为19%[4]。通常，为了得到所需的孔径，原始粉末的尺寸应比所需孔径尺寸大2～5倍。YANG等[7]将87 %(质量分数)Al2O3粉(粒径为20～45 nm)与13%TiO2粉末(20～50 nm)混合进行放电等离子烧结(1 350 ℃，5 min)，得到孔隙率为28.3%的氧化铝/钛酸铝复合材料，该方法利用TiO2与Al2O3在烧结过程中发生物相转变，有效提高了粉体颗粒烧结颈部位的结合稳定性。总体来看，采用部分烧结法造孔的优势在于无杂质成分引入、工艺线路简单且经济成本低，但所得多孔氧化铝陶瓷的孔隙率较低，且孔形式(开孔/闭孔)与孔形貌难以得到精确控制。目前，部分烧结法适用于对孔结构和孔隙率要求不高的多孔氧化铝陶瓷材料。

1.2 复刻模板法

采用复刻模板法制备多孔陶瓷时，首先需将多孔模板浸渍于提前配制好的陶瓷浆料或前驱体溶液中，使具有适当黏度与流动性的浆料或前驱体溶液均匀覆盖于模板表面。然后对浸渍后的多孔模板进行干燥与加热，使其中的有机模板发生热解而获得多孔结构。最后，将保留下来的陶瓷层加热至更高温度发生致密化，得到最终的多孔陶瓷材料。目前，常用的人工合成模板有多孔聚合物海绵(如聚氨酯)[8−11]和泡沫碳[12]，天然多孔模板包括木材[13]、珊瑚[14]与海绵(海洋动物)[15]。复刻模板法通常用于制备具有高孔隙度与开孔结构的大孔陶瓷材料。

复刻模板法制备多孔氧化铝陶瓷材料的关键在于陶瓷浆料或前驱体溶液的配制、模板的选择以及烧结工艺的控制。陶瓷浆料通常由粉末原料、黏结剂、增稠剂、分散剂等组分组成，其组分与配比直接影响浆料在模板上的润湿性与浸渍效果，进而影响多孔陶瓷的整体性能。LEE等[16]采用聚甲基丙烯酸(Darvan C-N)作为分散剂、甲基纤维素作为增稠剂、聚乙烯醇作为有机黏结剂制备α-Al2O3陶瓷浆料，将聚氨酯海绵浸渍于浆料中，然后将海绵在1 600 ℃烧结1 h，得到多孔氧化铝陶瓷。研究发现，多孔氧化铝陶瓷保留了聚氨酯海绵的孔隙结构，增稠剂的加入使多孔氧化铝陶瓷的抗压强度由0.89 MPa提升至1.30 MPa。相较于陶瓷浆料，前驱体溶液具有更高的流动性，更有利于精细孔结构的构建。对于多孔氧化铝陶瓷，其前驱体溶液通常选用铝的醇盐。CAO等[13]以异丙醇铝(Al (OC3H7)3)为前驱体制备氧化铝溶胶，采用真空浸渍法将溶胶涂覆于藤条与松木模板表面，梯度升温使其逐步凝胶化、去模板化与致密化，最终得到具有仿生结构的氧化铝多孔陶瓷。可见，复刻模板法在孔结构的控制方面具有比其他造孔方法更高的精确性与灵活性。通常，通过复刻模板法制备的多孔氧化铝陶瓷孔隙率达到90%以上，孔径在几微米至几厘米范围内变化。相互连通的孔隙结构可使流体以相对较低的压力降通过，但高孔隙率也导致多孔材料的强度较低[16]。

1.3 牺牲模板法(造孔剂法)

牺牲模板法造孔是将陶瓷粉末原料与造孔剂混合，然后通过蒸发或烧尽去除造孔剂而获得多孔结构。目前，牺牲模板法所用的造孔剂主要分为4类，分别为有机造孔剂、液相造孔剂、盐类造孔剂和金属/陶瓷无机造孔剂。采用牺牲模板法成形多孔氧化铝陶瓷时，材料的孔隙度主要由造孔剂添加量控制，孔径和形貌则分别与造孔剂的尺寸与形貌有关[18]。因此，造孔剂的种类、形貌、尺寸以及添加量的选择对于牺牲模板法制备多孔氧化铝陶瓷材料至关重要。合成有机物(如聚甲基丙烯酸甲酯微球[19]、聚氯乙烯微球[20]、聚苯乙烯微球[21]等)与天然有机物(如明胶[22]、豌豆种子[22-23]、纤维素[24]、藻酸盐[25]、淀粉[18,26-27]等)常被用作有机造孔剂用于多孔氧化铝陶瓷材料的牺牲模板成形。LI等[28]以粒径约为1 μm的Al2O3粉末为原料、粒径为2 μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球作为造孔剂，于1 350 ℃烧结2 h制备多孔氧化铝陶瓷材料，材料的孔隙率随造孔剂含量增加而显著增大。CHEN等[26]以α- Al2O3(1.3 μm)粉末为原料，用玉米淀粉(12.8 μm)作为造孔剂，SiO2与MgO粉末作为烧结助剂，于1 450 ℃烧结2 h制备的多孔陶瓷，孔隙率约为47.7%，孔径分布在1～4 μm范围内[26]。除了有机造孔剂，也有人利用相分离原理，采用液相(如水[29-31]、油类[32]等)作为造孔剂制备多孔氧化铝陶瓷。GENG等[29]利用水向冰转变的相变过程，结合冷冻干燥与高温烧结(1 400 ℃，2 h)工艺在多孔氧化铝陶瓷中制备定向排列的孔隙结构，随温度梯度增大，多孔陶瓷纵截面上定向排列孔的孔径逐渐增大。此外，多孔氧化铝陶瓷成形中用到的造孔剂还有盐类造孔剂(如BaSO4/SrSO4[33])与金属造孔剂(如Ni[34])。总体来说，牺牲模板法是制备多孔氧化铝陶瓷的一种有效方法，该方法具有工艺线路相对简单、经济成本较低的优点，且可在一定程度上控制多孔材料的孔结构与孔隙度。但需保证陶瓷粉末原料与造孔剂充分混合均匀，以得到均匀的孔隙结构，并且应尽量避免因造孔剂与氧化铝粉末发生反应而引入杂质。

1.4 直接发泡法

直接发泡法制备多孔陶瓷材料(也称泡沫陶瓷)时，首先需向陶瓷粉末悬浮液或溶液介质中通入气体进行造孔，并通过一定的固化过程保持气泡结构稳定，最后通过高温烧结获得多孔陶瓷材料[15]。直接发泡法制备的泡沫陶瓷孔隙率与制备过程中通入的气体量有关，孔径通常取决于湿泡沫陶瓷固化前的稳定性。由于湿泡沫陶瓷在热力学上具有不稳定性，其内部会发生奥斯特瓦尔德熟化与气泡聚集等过程，使气泡尺寸增大并最终导致烧结后的泡沫陶瓷中存在较大的孔隙结构[35]。因此，直接发泡法制备泡沫陶瓷的关键在于提高气泡在湿泡沫体系中的稳定性[36]。直接发泡法制备的泡沫陶瓷分为两类，分别是表面活性剂稳定型与颗粒稳定型[3]。

1.4.1 表面活性剂稳定型泡沫陶瓷

表面活性剂可降低气/液界面的界面能，是目前应用最广泛的界面稳定剂之一[37]。表面活性剂通常为长链分子，根据其性质不同，通常分为非离子型(辛乙烯二醇单正十二烷基酯、聚乙二醇辛基苯基醚)、阴离子型(十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸铵)、阳离子型(苄索氯铵、双氢化牛脂基二甲基氯化铵)与蛋白质(白蛋白)等四类[3, 38]。通过控制发泡稳定性与固化动力学，表面活性剂稳定型泡沫氧化铝陶瓷的孔径通常在35 μm至1.2 mm范围内。表面活性剂分子通过吸附于气泡表面与降低气/液界面能来抑制气泡的聚集与歧化，长链活性剂与生物大分子在气/液界面的吸附能较低，因而无法维持发泡过程的长期稳定性。通过长链活性剂稳定的湿泡沫陶瓷通常在几分钟内发生崩塌，通过生物大分子稳定的湿泡沫陶瓷也会在几小时内崩 塌[39]。因此，通常还需要加入固化剂使湿泡沫陶瓷固化而不发生崩塌。通过表面活性剂制备的泡沫陶瓷孔隙率通常在40%～97%范围内，孔结构形貌为球形[37]。当氧化铝粉末颗粒在泡沫歧化过程中聚集于泡沫的普拉托边界时，得到相互连通的开孔结构[40]。而当粉末颗粒在泡沫固化过程中均匀分布于气泡周围时，则得到均匀分布的闭孔结构[41]。

1.4.2 颗粒稳定型泡沫陶瓷

颗粒稳定直接发泡法制备泡沫氧化铝陶瓷的关键在于需要使用能够强力吸附于气/液界面的胶体颗粒。当氧化铝粉末颗粒未完全被液相润湿时，胶体颗粒可稳定存在于气/液界面，形成一个三相界面的有限平衡接触角[42]，胶体颗粒与液相界面的接触角取决于氧化铝颗粒的表面化学、粗糙度、杂质、尺寸以及液相成分。氧化铝陶瓷具有非常高的表面能，因此理论上可被液相完全润湿。通过两亲性分子(兼具亲水性与亲脂性的化合物)的吸附可调控氧化铝颗粒表面的润湿性，使其具有一定程度的疏水性[43]。总的来说，调节颗粒在界面处的接触角非常关键，决定颗粒稳定型泡沫陶瓷的初始稳定性[44-45]。

相较于表面活性剂稳定的湿泡沫陶瓷，颗粒稳定型湿泡沫陶瓷具有更好的稳定性，因此不需要额外的固化过程，可直接进行干燥与烧结[46]。然而，干燥过程中颗粒发生重排，导致材料发生3%～5%的体积收缩[35]。LIU等[47]以α-Al2O3(0.35 μm)、硅颗粒(0.8 μm)与一水软铝石(15 nm)等粉末原料制备发泡悬浮液，于1 450 ℃烧结3 h制备泡沫陶瓷，孔隙度达到90%以上。AHMAD等[48]制备的ZrO2增韧Al2O3泡沫陶瓷，孔径为80～200 μm，孔隙率达到90%以上。颗粒稳定型泡沫陶瓷的孔隙率通常在40%～93%，孔径可在10～300 μm范围内进行调控。由于湿泡沫陶瓷中，气泡可完全被表面改性后的陶瓷颗粒包裹，该方法适合制备闭孔多孔陶瓷[15]。总体来说，直接发泡法造孔的优势在于能较好地控制材料的孔隙率与孔形式(开孔/闭孔)，但孔形貌的可调控度比复刻模板法和牺牲模板法低。并且，相较于其他造孔方法，直接发泡法对于氧化铝粉末的表面性质要求更高，导致经济成本相对较高。

2 烧结技术

2.1 烧结过程与特点

烧结过程通常可分为3个阶段：1) 烧结初期。烧结颈开始形成，烧结体发生微小的线性收缩，烧结致密度通常低于70%。2) 烧结中期。发生晶粒长大，烧结颈进一步生长，颗粒间形成管状的开孔结构，陶瓷的致密度为70%～92%。3) 烧结末期。颗粒间的孔隙逐步塌陷为闭孔结构，孔隙度进一步降低[49-51]。根据烧结过程中的传质方式，陶瓷材料的烧结大致可分为两类，分别是固相烧结与液相烧结[52]。目前，约90%的商用陶瓷制品是通过液相烧结制备的[51,53-54]。

氧化铝的熔点约为2 054 ℃，其固相烧结温度一般需达到1 800 ℃以上，因此对窑炉要求较高。考虑到高温窑炉具有投入高、易损耗、维修难等局限性，在氧化铝陶瓷材料的实际生产中要求尽量在更低的烧结温度下获得更高的致密度。结合氧化铝陶瓷烧结过程的特点，可从制备高性能氧化铝粉体原料和添加烧结助剂这两个方面来降低氧化铝陶瓷的烧结温度和提高陶瓷致密度。

2.1.1 氧化铝粉体原料

通常，粒径较小的氧化铝粉体颗粒具有较高的表面能，有助于降低烧结温度和提高烧结致密度。此外，采用不同尺寸氧化铝颗粒进行级配可提高陶瓷生坯的密度，进而获得致密度更高的陶瓷材料。块状或片状的氧化铝粉体颗粒之间空隙较大，容易导致受热不均匀，在原料内部产生温差，不利于陶瓷材料的均匀致密化。并且块状或片状的氧化铝由于表面能较低，烧结活性不高，影响烧结致密化。目前，通过拜耳法制备的氧化铝陶瓷粉体通常粒径较大且杂质含量较高，而化学方法如溶胶−凝胶法制备的高纯纳米氧化铝陶瓷粉体产量较低，成本较高。因此，低成本、高效制备高性能氧化铝粉体原料是目前亟待解决的问题 之一。

2.1.2 添加剂

氧化铝陶瓷制备过程中可加入的添加剂分为助烧剂与强化剂两类。添加助烧剂可使氧化铝陶瓷的烧结机制由固相烧结转变为液相烧结，从而显著降低烧结温度。助烧剂分为可烧成液相复合物和可变价金属氧化物两类。可烧成液相复合物一般含有SiO2、MgO、CaO等成分，亦或是CaO/MgO/SiO2复合体系，如硅藻土等[54-55]。此类物质可在较低温烧结时产生液相，有效提高传质速率，有助于降低烧结温度与提高烧结致密度[54]，并抑制晶粒再结晶。可变价金属氧化物，如TiO2、MnO2，可与Al2O3生成固溶体，通过变价反应使氧化铝颗粒基体产生缺陷，活化晶格，进而降低烧结温度[56-57]。此外，La2O3、Y2O3等稀土类氧化物作为表面活性剂，可降低烧结温度[58-59]。添加强化剂有助于提高陶瓷材料的力学性能。掺杂少量金属元素如Co、Mo、Ni、Fe等，可在氧化铝陶瓷基体中形成第二相，改善材料的强度与脆性[60-61]。其中的Fe因成本低、来源广泛而备受关注。在实际生产过程中，可通过向氧化铝陶瓷中直接添加Fe粉或还原氧化铁，在陶瓷基体中引入富Fe相[62]。

2.2 烧结技术

氧化铝陶瓷的传统烧结技术主要是常规(无压)烧结与热压烧结，烧结温度较高，烧结时间较长，容易导致晶粒粗化，且难以完全消除孔隙，最终显著影响陶瓷材料的综合性能。多孔氧化铝陶瓷的烧结技术与机制和其致密块体的烧结基本一致，下面主要介绍氧化铝陶瓷的烧结技术。

2.2.1 热压烧结

常压烧结获得的陶瓷材料致密度较低，且容易出现晶粒粗大的现象。对烧结气氛进行合理控制有助于提高材料的性能，特殊气氛环境如真空与氢气气氛主要用于电子工业的致密或透明氧化铝的烧结[50, 62]。相较于常压烧结，热压烧结时在烧结过程中施加准静态压力，有助于陶瓷粉体颗粒的压紧与气孔的排除，从而提高陶瓷的致密度，并且可细化晶粒组织。但热压烧结也存在一定的局限性。比如，准静态压力无法使陶瓷粉体颗粒在烧结前与烧结前期获得充分地重排，导致陶瓷坯体堆积密度有限；烧结中期陶瓷颗粒的塑性流动仍不够充分，且团聚体难以得到消除，造成材料不完全均匀致密化；在烧结后期，准静态压力仍无法完全排除材料基体中的残余气孔[63]。

2.2.2 振荡压力烧结

相较于常规压力辅助烧结工艺中所采用的恒定压力，振荡压力烧结技术施加连续振荡的外压。因此，该技术不仅能够通过颗粒压紧重排缩短原子的扩散距离，并且可在烧结中后期为陶瓷的致密化提供更强大的驱动力，可加速粉末颗粒的黏性流动与扩散蠕变，造成晶粒取向的变化、晶界滑移以及塑性形变，进而有效消除材料气孔，提高陶瓷材料的致密度[64]。YUAN等[65]采用震荡压力烧结制备的氧化铝陶瓷组织细小，具有比热压烧结更高的密度、强度与硬度。相较于热压烧结，震荡压力烧结时晶粒生长所需的驱动力更小。LIU等[66]发现震荡压力烧结过程中，震荡压力在烧结后期对于氧化铝陶瓷致密度与力学性能的贡献比前、中期更加显著。因此，目前关于振荡压力烧结的许多研究主要聚焦于烧结后期。LI等[67]研究了氧化锆陶瓷的震荡压力烧结过程，发现在烧结初期震荡力对晶粒生长影响并不显著，但当温度超过临界值时，振荡压力下产生的塑性变形使材料致密度显著提高，其机理在于振荡压力促进晶界滑移和扩散，与氧化铝陶瓷的震荡压力烧结过程类似。ZHU等[68]通过振荡压力烧结制备了致密度高达99.91%的ZrO2-Al2O3复合陶瓷材料，其烧结温度相较于达到同等致密度的热压烧结温度降低50 ℃以上。总体来看，在烧结过程中以震荡方式施加压力有助于晶界滑动、塑性变形、扩散与传质的发生，有利于材料的烧结致密化。但震荡压力烧结对设备要求较高，距离大规模工业化生产尚有距离。

2.2.3 放电等离子烧结

放电等离子烧结(spark plasma sintering，SPS)是指在烧结过程中向材料施加一定的外加压力，同时引入直流脉冲电流，通过压力与电流的共同作用使材料发生致密化。陶瓷材料通常不导电，需要选用导电性能良好的石墨作为模具，通过石墨产生的电阻热使材料升温。对于金属材料，由于其本身具有导电性，可通过电流直接进行加热，不一定要使用导电模具[69]。与常规烧结技术相比，放电等离子烧结的升温速率可达到几百摄氏度每分钟，可促进致密化过程的快速进行并抑制晶粒长大。SHEN等[70]发现当烧结温度为1 400 ℃时，升温速率为370 ℃/min和50 ℃/min得到的氧化铝晶粒尺寸分别为4.0 μm和9.5 μm，致密度均高于99%，表明提高升温速率可显著抑制晶粒长 大[70]。目前，关于氧化铝陶瓷材料在放电等离子烧结过程中是否会产生等离子体尚无定论。MUNIR等[71]报道了放电等离子烧结过程中，与总电流相比，通过氧化铝的电流强度可忽略不计[71]。LANGER等[72]发现氧化铝在放电等离子烧结过程中电阻变化不显著，其致密化机理与热压烧结相同，均为晶界扩散。放电等离子烧结制备陶瓷材料具有诸多优点，如升温速率快、烧结时间短、晶粒组织细小，适合用于高性能氧化铝陶瓷材料的制备。但烧结设备较昂贵，试样与压头之间局部容易过热熔融，且对样品尺寸有一定的限制。

2.2.4 微波烧结

传统烧结技术是热量通过热传导从材料外部传向内部，微波烧结技术是材料在微波加热过程中吸收能量，从而使内部产生的热量向外部传导进行加热与烧结。微波加热过程中，电磁能向热能的转化率接近100%，而传统加热过程则产生大量的热量损失。氧化铝陶瓷具有良好的绝缘性，在室温下对微波透明，无法有效吸收微波能量，但当氧化铝的加热温度达到临界值以上时，开始吸收微波能量并快速加热与烧结。此外，还可通过向氧化铝陶瓷中加入微波吸收物质以提高其微波吸收能力。LIU等[73]将微、纳米Al2O3粉末进行复配，发现纳米Al2O3含量(质量分数)为20%时坯体堆积密度最高，微波烧结后致密度达到98.5%，材料具有最高的抗弯强度及断裂韧性。YAN等[74]采用两步微波烧结法制备高致密度的细晶Al2O3刀具，当温度低于1 100 ℃时有利于晶界扩散，而在1 200～1 300 ℃的温度范围内有利于体积扩散的发生。总体上，微波烧结技术具有加热速率快(＞400 ℃/min)、烧结温度低、加热时间短、晶粒组织细小等优点，有助于材料综合性能的提升[75]。但由于微波场具有一定的不均匀性，材料中晶粒介电特性随温度变化急剧变化，微波烧结容易导致局部因温度急剧上升而出现“热失控”的现象。

2.2.5 闪烧

闪烧技术由COLOGNA等[76]于2010年提出，该方法源自于其对电场辅助烧结过程的研究。闪烧过程中，陶瓷生坯通常被制备为“骨头形”，通过导电铂线悬挂于炉内加热，并同时引入一定的电场作用。随直流电场场强由60 V/cm提高至120 V/cm，样品烧结所需的炉温由1 025 ℃下降至850 ℃。这种由温度与电场共同作用导致陶瓷材料低温快速致密化的烧结技术称为“闪烧”。在闪烧过程中，调控炉内温度、电场强度与电流大小可显著影响陶瓷材料的致密化行为。随炉内温度升高，材料的电阻率逐渐降低，该过程称之为闪烧的孕育阶段。当炉温达到某种材料对应的临界温度时，材料的电阻率突然降低，此时发生闪烧。当陶瓷材料的电阻率停止升高时，场强随之稳定，该阶段称为闪烧的保温阶段[77]。目前，对于闪烧技术的烧结机理解释主要有4种理论，分别为热失控及焦耳热效应、晶界过热、弗伦克尔缺陷对、电化学效应理 论[78]。BIESUZ[79]发现闪烧Al2O3的烧结温度可降低到900 ℃以下，烧结体的孔隙度具有各向同性且均匀，选择银作为电极材料比用碳或铂金作为电极材料的烧结效率更高。YOON等[80]发现α-Al2O3与MgO在闪烧过程中发生反应生成单相镁铝尖晶石，添加ZrO2可促进烧结过程中闪光的出现。OIAIMIJAIMI等[81]对比了传统烧结与闪烧技术制备的ZrO2-Al2O3复合陶瓷，发现闪烧技术能显著缩短陶瓷材料的烧结时间并降低烧结温度。闪烧技术具有极速、低温优点，在烧结亚稳态材料时可避免相变，但导电剂的引入可能导致样品污染，并且精确控温方面有待进一步提升。

3 总结与展望

关于多孔氧化铝陶瓷的相关研究主要是两方面：一方面是通过研发新型造孔方法对孔结构与孔隙率进行调控，改善与提升“孔隙”在多孔材料特定用途中的功能性；另一方面是研发先进烧结技术，以降低烧结温度、缩短烧结时间、细化晶粒与消除缺陷，从而提升多孔材料的综合性能。对此，科研工作者们成功开发了部分烧结法、复刻模板法、牺牲模板法与直接发泡法等不同的造孔方法，在一定程度上实现了对多孔材料孔结构与孔隙率的可控设计与制备。近年来，先进烧结技术如振荡压力烧结、放电等离子烧结、微波烧结与闪烧技术等可有效降低氧化铝陶瓷的烧结温度，并缩短保温时间，实现较快速的致密化，提高材料力学性能。

今后，多孔氧化铝陶瓷材料的制备工艺将向以下几个方面发展：1) 高性能氧化铝陶瓷粉体原料的低成本、高效制备。2) 通过多种造孔技术有机结合以及增材制造技术的应用，实现对多孔氧化铝陶瓷“孔隙”特征的精确设计、调控与制备。3) 通过热场与电场、磁场、机械振动等耦合作用，进一步降低烧结温度、缩短烧结时间、细化晶粒与消除缺陷，以获得高性能的多孔氧化铝陶瓷陶瓷材料。4) 开发新型助烧剂与强化剂，是实现多孔陶瓷的高性能化的另一重要途径。

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Research progress on the fabrication technology of porous alumina ceramics

HE Xiang1, HUANG Qianli1, CHEN Yuhui2, LIU Bowei1, LIU Yong1

(1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China;2. Shenzhen Changlong Technology Co., Ltd., Shenzhen 518100, China)

Porous alumina ceramics are widely used as refractory materials, electrical insulators, wear-resistant mechanical parts, filtering materials and catalytic support due to their excellent mechanical properties, corrosion resistance, large specific surface area and stable chemical properties. The pores in porous alumina ceramics are commonly created by partial sintering, replica, sacrificial template or direct foaming method. Specific porous structure and porosity can be obtained by employing appropriate pore-creating method. Conventional sintering of alumina ceramics is usually characterized by high temperature, long duration, easy formation of coarse grains and residual pores. The application of advanced sintering technologies such as oscillatory pressure sintering, spark plasma sintering and microwave sintering can effectively overcome these shortcomings and comprehensively improve material properties. In order to provide references for the investigation, development and application of novel porous alumina ceramics, we reviewed the research progress on two aspects including pore-creating method and sintering technology involved in the fabrication process of porous alumina ceramics.

porous ceramics; alumina; powder raw material; pore-creating method; sintering technology

10.19976/j.cnki.43-1448/TF.2021064

TF841.8

A

1673-0224(2021)06-483-09

中国博士后科学基金特别资助项目(2019T120711)

2021−08−02；

2021−09−30

黄千里，副教授，博士。电话：18600648872；E-mail: hql1990@163.com

(编辑 汤金芝)