木材陶瓷研究现状及应用前景_赵斌

料等。本文从木材陶瓷 的 种 类、性 能 和 应 用 入 手，着 重 讨 论 了 木 材 陶 瓷 的 研 究 现 状 与 存 在 的 问 题 ，并 对 其 应 用 前 景 进 行 了展望。
１ 木 材 基 复 合 材 料
１．１ 木 材 陶 瓷 １９９０年日本青森工业 试 验 场 的 冈 部 敏 弘 和 斋 藤 幸 司 首
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材料导报
２０１２ 年 １１ 月 第 ２６ 卷 专 辑 ２０
木材陶瓷研究现状及应用前景＊
赵 斌 ，韩 丽 娟 ，谢 威 ，满 蓬 ，张 涛
（中 国 兵 器 工 业 第 五 二 研 究 所 烟 台 分 所 ，烟 台 ２６４００３）
摘要 木材陶瓷是一种典型的“环境材料”，具有原 料 可 再 生、低 污 染、低 能 耗 等 优 点，以 及 多 孔、导 电、自 润 滑 等 特性。详细列举了木材陶瓷的应用实例，重点总结了与木材 陶 瓷 相 关 的 复 合 材 料 及 其 性 能 ，并 针 对 木 材 陶 瓷 现 存 的 问 题 ，指 出 了 其 未 来 的 发 展 方 向 。
在合适的工艺范围内，木材陶瓷的电 导 率 与 温 度 和 湿 度 大 致 呈 线 性 关 系，利 用 这 一 特 性，木 材 陶 瓷 可 用 作 湿 敏 器 件［４］；木材 陶 瓷 的 摩 擦 系 数 一 般 稳 定 在 ０．１～０．１５ 之 间，是 一种良好的摩擦 材 料；木 材 陶 瓷 是 多 孔 结 构，在 一 定 的 频 率 范围内可散射或吸收电磁波而减弱反射波，是 一 种 良 好 的 电 磁屏蔽材料；木材陶瓷 的 可 靠 性 介 于 工 程 陶 瓷（ｍ＝１０～２０） 和传统陶瓷（ｍ＜５）之 间，是 一 种 高 可 靠 性 陶 瓷 材 料［５］；木 材
＊ 国 际 科 技 合 作 项 目 （２０１０ＤＦＲ５０３４０） 赵 斌 ：男 ，１９８０ 年 生 ，中 级 工 程 师 ，研 究 方 向 为 无 机 非 金 属 材 料 Ｔｅｌ：０５３５－６８９０１７２ Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｂｉｎ１９８００２１８＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
木 材 陶 瓷 研 究 现 状 及 应 用 前 景／赵 斌 等
关键词 木材陶瓷 应用 性能 发展方向 中 图 分 类 号 ：ＴＱ１７４．７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ Ｗｏｏｄｃｅｒａｍｉｃｓ
ＺＨＡＯ Ｂｉｎ，ＨＡＮ Ｌｉｊｕａｎ，ＸＩＥ Ｗｅｉ，ＭＡＮ Ｐｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｔａｏ
１．３ 金 属 化 木 材 将熔融态的低熔点合金注入 到木 材的 孔 隙 中，冷 却 固 化
后得到的复合材料称为金属化木材。该工艺使用的合金通 常有铅、铋、锡等。金属 化 木 材 的 密 度 为 ０．９５～３．８３ｇ／ｃｍ３， 耐磨性较好，在火中不会燃烧。但由于某些 合 金 具 有 一 定 的 毒性，所以目前金属化木材的应用范围非常有限 。 ［１２］
１．４ 陶 瓷 化 木 材 将木材在含有硅化合物的溶液中浸渍后，放入约 ８０℃的
烘箱中固化，能够得到 硬 度 比 木 材 高 ２０％ ～１２０％ 的 木 质 陶 瓷化合物。这种材 料 具 有 较 好 的 抗 菌、抗 虫 和 耐 腐 蚀 性 能， 特别是其具有优 良 的 防 火 性 能，非 常 适 合 用 作 建 筑 材 料、坚 固耐用的家具或地板 。 ［１３］
无机质复合木材是指通过某种工艺处理将无机物质作 为增强体，分散到 木 材 基 体 中 从 而 制 得 的 一 种 木 材／无 机 复 合材料 （Ｗｏｏｄ－ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＷＩＣ）。 因 为 填 充 的 无 机质能够阻止或 延 缓 木 材 的 腐 烂、热 分 解 和 白 蚁 的 蛀 食 等， 所以无机质 复 合 木 材 可 获 得 良 好 的 抗 腐 性、阻 燃 性 和 抗 蚁 性，同时强度也得到了一定的提升 。 ［２１］
将白松、桦木、青 冈 木 和 五 合 板 原 料 放 入 专 用 的 浸 渍 罐 中抽真空，注入不 同 密 度 的 酚 醛 树 脂 乙 醇 溶 液，然 后 加 压 浸 渍，并取出浸渍样 放 入 烘 箱 固 化，最 后 将 固 化 试 样 及 未 浸 木 材放入真空炉中，在 氮 气 保 护 气 氛 中 分 别 升 温 至 不 同 温 度， 保温４ｈ后随炉冷 却。 试 验 结 果 表 明，不 同 木 材 制 得 的 试 样 密度随浸渍率的提高而显著增大。在未浸 试 样 中，青 冈 木 材 的密度大于五合板和桦木的密度，白松的 密 度 最 低。浸 渍 后 的桦木、五合板 试 样 的 密 度 超 过 了 青 冈 木 的 密 度。 五 合 板、 桦木试样随浸渍率提 高，密 度 增 大 尤 其 显 著，在 ４００～５００℃ 出现最低值，分析认为碳化过程 中伴 随有 复 杂 的 脱 水、蒸 发、 纤 维 素 的 断 裂 、脱 氢 和 碳 的 晶 型 转 变 等 化 学 变 化 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｗｏｏｄｃｅｒａｍｉｃｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
０ 引 言
人口膨胀、资源短 缺、环 境 恶 化 是 当 今 社 会 可 持 续 发 展 面临的３大问题。材料是人类赖以生活和生产的物质基础， 新材料的不断出现和应用是人类文明进步的重要标志之一。 随着社会的进步、经 济 的 发 展 和 生 活 水 平 的 提 高，人 们 越 来 越关注地球的资源、环境和生态平衡等问 题。在 过 去 的 几 百 年里，人类虽 然 成 功 地 解 决 了 许 多 材 料 在 制 备 上 的 技 术 问 题，但同时也消耗 了 大 量 的 不 可 再 生 资 源，引 起 了 难 以 修 复 的环境污染和生态失衡。针对这一问题，日 本 东 京 大 学 山 本 良一教授等在２０ 世 纪 ９０ 年 代 初 期 提 出 了 一 个 新 的 研 究 领 域 ，即 “环 境 材 料 ”［１］。
木材及其他木质材料是最重要的可再生资源。木材陶 瓷是指利用木材的特性通过一定的工艺化处理从而制得的 具有特殊性能的仿生陶瓷材料，其因具有诸多优 异 的 性 能 而 有 着 巨 大 的 应 用 潜 力 ，如 利 用 其 高 表 面 积 特 性 可 用 作 吸 附 剂 和 催 化 剂 载 体 ，利 用 其 良 好 的 电 学 性 能 可 用 作 电 磁 和 屏 蔽 材
物需要很长的时间。如果利用木材的孔隙结构作为渗入和 反应工艺的前驱 体，形 成 速 度 就 会 大 大 加 快，这 种 以 生 物 体 作为设计方案的合成思想可 称 为 生 物 拟 态 。 ［８，９］ 首 先 把 木 材 烘 干 ，去 除 水 分 ，然 后 将 木 材 在 １８００℃ 的 高 温 下 真 空 碳 化 ，这 样就可制得具有网状多孔结构的碳化物材料，将 其 置 于 装 有 无机 Ｓｉ的烧结炉里，并加热至熔融，最终形成木材 ＳｉＣ 陶瓷， 该陶瓷材料可以 用 作 军 工、航 天、航 空 及 核 工 业 领 域 的 耐 高 温、防热结构材料 。 ［１０］
以竹子、松木、中 密 度 纤 维 板 （ＭＤＦ）和 颗 粒 直 径 为 １～ ５ｍｍ 的工业硅粉为 原 料，像 制 造 木 材 陶 瓷 那 样 在 １６００℃ 的 真空炉内加热形成 碳 化 硅 复 合 材 料。ＸＲＤ 分 析 表 明 复 合 材 料中含有β－ＳｉＣ 和游离 Ｓｉ两种形态。经测 试，复 合 材 料 的 弯 曲强度 高 达 １００～３００ＭＰａ，是 普 通 木 材 陶 瓷 的 １０ 倍。 由 于 这种复合陶 瓷 材 料 具 有 木 质 细 胞 结 构，今 后 有 望 在 医 学 移 植、生物过滤以及催化剂载体等领域获得广泛应用 。 ［１１］
（Ｎｏ．５２Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｔｈ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ，Ｙａｎｔａｉ ２６４００３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｓ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｅｃｏｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅ ｗｏｏｄｃｅｒａｍｉｃｓ ｈａｖｅ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅ，ｌｏｗ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ，ｓｅｌｆ－ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｗｏｏｄ－ ｃｅｒａｍｉｃｓ ａｒｅ ｌｉｓｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗｏｏｄｃｅｒａｍｉｃｓ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｔｈｅ ｗｏｏｄ－ｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａ－ ｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｒｅ ｅｍｐｈａｓｉｚｉｎｇｌｙ ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｏｄ－ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅｉｒ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．
表明：与未处理的 木 材 相 比，陶 瓷 化 处 理 后 的 木 材 硬 度 提 高 了２０％以上，热分解温度从４５０℃提高到 ５５０℃，吸 湿率 降低 了４０％，密度略有增加 。 ［１７］
陶瓷化木材的缺 点 是 缩 聚 过 程 缓 慢、不 完 全，原 料 挥 发 严重，抗流失性差，反 应 不 完 全，性 能 随 时 间 延 长 而 下 降 。 ［１８］ 此外，将木材试样 吸 湿 或 者 吸 水 饱 和，利 用 细 胞 壁 的 吸 附 水 与醇盐 水 解 形 成 溶 胶，木 材 的 增 重 率 （Ｗｅｉｇｈｔ ｐｅｒｃｅｎｔ ｇａｉｎ， ＷＰＧ）是非常有限的 。 ［１９］ 近期的 研 究 表 明，将 陶 瓷 前 驱 体 与 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 （ＭＭＡ）混 合，使 无 机 粒 子 和 有 机 高 分 子 相 互交换，可在一定程度上提高陶瓷化木材的性能 。 ［２０］ １．５ 无 机 质 复 合 木 材
所 谓 环 境 材 料 是 指 那 些 与 环 境 相 容，对 环 境 有 一 定 降 解、净化和修复功能的材料。通常环境材 料 应 具 有 以 下 ３ 个 明显特征：（１）具 有 良 好 的 使 用 性 能 或 功 能；（２）具 有 较 高 的 资源利用率；（３）对 环 境 无 副 作 用，即 对 生 态 环 境 污 染 小，再 生利用率高或可降解循环利用，在制备、使 用、废 弃 直 到 再 生 循 环 利 用 的 整 个 过 程 中 ，都 与 环 境 协 调 共 存 。
另 外 ，采 用 溶 胶 －凝 胶 合 成 陶 瓷 的 方 法 也 可 制 造 陶 瓷 化 木 材 。 ［１４－１６］ 首先选取均匀的 木 材，按 测 试 要 求 加 工 成 试 样，并 清洗和进行干燥化处理。然后将陶瓷前驱体浸渍液在专用 设备中加压并浸注入木材中，通常采用的前驱体 浸 渍 剂 为 正 硅酸 乙 酯 （Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ，ＴＥＯＳ），压 力 为 ０．２～ １．０ＭＰａ。最后前驱体经水解、缩合形成ＳｉＯ２ 凝胶。测试结果
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陶瓷使用完后的副产品木酯酸是土壤的改良剂和防虫杀菌 剂，对环境没 有 负 作 用 。 ［６］ 作 为 结 构 功 能 一 体 化 材 料，木 材 陶瓷必将有利于人类生存环境的改善 。 ［７］
１．２ 木 材 碳 化 硅 陶 瓷 完全在自然力作用下，木材要形成类似 陶 瓷 结 构 的 化 合
先采用木质材料制得了木材陶瓷。他们首先将木质材料在 热固性树脂中浸 渍，然 后 在 真 空 环 境 下 碳 化 处 理，碳 化 温 度 在８００～２０００℃之间。在此过程中，树脂形成硬 质玻 璃碳，木 材形成软质 无 定 形 碳，从 而 得 到 了 一 种 新 型 的 多 孔 碳 质 材 料。一般认为，具有共价键和金属离子键 的 无 机 物 质 即 可 称 之为陶瓷，因此这种碳质 材 料 也 可 称 之 为 木 材 陶 瓷 。 ［２］ 该 材 料的发明得到了材料学界的普遍关注，他们深 入 地 研 究 了 它 的物理和化学特 性，并 以 玻 璃 或 铝 板 为 衬 底，以 木 材 陶 瓷 为 靶材，利用磁控溅射技术，又成功制得了木材陶瓷薄膜 。 ［３］