多孔陶瓷材料制备
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【Abstract】 T he recen t sta tu s of techn iques fo r p rep a ra tion of po rou s ceram ic m a teria ls w a s re2 view ed. V a riou s techn iques fo r p rep a ra tion of po rou s ceram ic m a teria ls resea rched m o re actively and ap 2 p lied m o re successfu lly w ere ana lyzed, and the fu tu re developm en t trends w ere discu ssed.
孔封闭或消失, 烧结温度太低, 则制品的强度低, 无法兼顾气孔率和强度, 而采用添加造孔剂的
方法则可以避免这种缺点, 使烧结制品既具有高的气孔率, 又具有很好的强度, 用该法制备的
多孔陶瓷, 气孔率一般在 50% 以下。
添加造孔剂法制备多孔陶瓷的工艺流程与普通的陶瓷工艺流程相似, 这种工艺方法的关
键在于造孔剂种类和用量的选择。
(2) 混料 为使多孔陶瓷制品的气孔分布均匀, 混料的均匀性非常重要。一般造孔剂的比重小于陶瓷 原料的比重, 另外它们的粒度大小往往不同, 因此, 难以使其很均匀混合。研究人员在这方面作 了许多努力。Sonup a rlak 等[3]采用二种不同的混料方法解决了上述问题。如果陶瓷粉末很细, 而造孔剂颗粒较粗或造孔剂溶于粘结剂中, 可以将陶瓷粉末与粘结剂混合造粒后, 再与造孔剂 混合。另一方法是将造孔剂和陶瓷粉末分别制成悬浊液, 再将二种料浆按一定比例喷雾干燥混 合。而日本专利则采用将造孔剂微粒与 ZrC l4 和稳定剂 YC l3 水溶液充分混合, 加氨水共沉淀, 得到一种胶状物质, 从而使造孔剂分布均匀。
粉浆浇注 11 能制形状复杂的制品 21 设备简单
11 尺寸公差大 21 生产率低
11 需加入较多的塑化剂 21 制品尺寸大小受限制
11 生产率低 21 原料受限制
大尺寸管材及异 形制品
各种形状复杂的 小件制品
复杂形状制品, 多 层过滤器。
(3) 成型
·35·
多孔陶瓷的成型方法与普通的陶瓷成型方法相似, 主要有模压、挤压、等静压、轧制、注射 和粉浆浇注等。 表 2 是各种成型方法的比较 其中应用比较成功, 用得最多的是挤压成型[4, 6], 特别是用于工业废气和汽车尾气净化的蜂窝 状陶瓷的成型。A u rio l 等[6]曾采用 9% 凡士林和 16% 的水胶 (115% 甲基纤维素) 作增塑剂, 成 功制取了挤压泥料。K iefer[4]则用生淀粉作造孔剂, 用淀粉浆糊、甲基纤维素或聚乙烯醇等作 增塑剂, 挤压成型制备蜂窝状陶瓷。 日本专利还采用过水合A l2O 3 加磷酸制备泥料。
11 不能制造小孔径闭气孔的制 品 21 制品形状受限制 31 制品成份密度不易控制
金属熔体 过滤器
发泡方法
11 特别适于制取闭气孔的制品 21 气孔率大, 强度高
11 对原料的要求高 21 工艺条件不易控制
轻质建材, 保温材料
溶 胶2凝 胶 方法
11 适于制取微孔陶瓷 21 适于制取薄膜材料 31 气孔分布均匀
பைடு நூலகம்
(1) 造孔剂种类和用量的选择
造孔剂加入的目的在于促使气孔率增加, 它必须满足下列要求: 在加热过程中易于排除;
排除后在基体中无有害残留物; 不与基体反应。
造孔剂的种类有无机和有机二类。 无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解
盐类[ 1
]
,
以及其它可分解化合物如
S
i3N
[2 4
],
或无机碳如煤粉、碳粉等。
第 14 卷第 3 期 V o l. 14 N o. 3
材 料 科 学 与 工 程 M a teria ls Science & Eng ineering
总第 55 期 Sep t. 1996
多孔陶瓷材料的制备技术
朱时珍 赵振波 北京理工大学 北京 100081
刘庆国 北京科技大学 北京 100083
模压成型的最大优点是简单方便, 如果对制品的质量要求不高, 较小的片状、块状或管状 的多孔陶瓷都可用模压成型的方法制备。
(4) 烧结 多孔陶瓷的烧结制度主要取决于原料, 添加剂及最后制品所需的性能。 一般, 当多孔陶瓷坯料中添加剂较多时, 为了不使坯体在烧结过程中破裂, 必须严格控制 升温速率。 另外, 从方便排除各种有机添加剂考虑, 必须在添加剂排除温度下保持足够长的时 间。提高烧结温度, 延长烧结时间, 有利于提高烧结体的强度, 但会降低制品的气孔率。这目前 仍是多孔陶瓷实用化面临的问题之一。 21 有机泡沫浸渍工艺 有机泡沫浸渍法是用有机泡沫浸渍陶瓷浆料, 干燥后烧掉有机泡沫, 获得多孔陶瓷的一种 方法。 该法适于制备高气孔率, 开气孔的多孔陶瓷。 自从 Schw a rtzw a lder[7]首先发明该法以来, 经过不断的改进与发展, 目前已日趋成熟。 下 面就一些关键步骤予以分析。 (1) 有机泡沫的选择 选择有机泡沫首先要考虑的是孔径大小, 因为泡沫孔径的大小决定了最后制品的孔径尺 寸。 另外泡沫的恢复力和气化温度也很重要, 恢复力要足够大, 而气化温度要低于陶瓷的烧结 温度。 满足以上条件的有机泡沫材料有聚氨基甲酸乙脂、纤维素、聚氯乙烯和聚苯乙烯等。 其中 聚氨基甲酸乙脂由于具有低的软化温度, 特别适于这种场合。 因为当加热分解有机泡沫时, 聚 氨基甲酸乙脂已软化, 烧掉它时不产生任何应力, 保证了未烧结陶瓷体不会破裂。 (2) 陶瓷浆料的制备 浆料的基本组成是陶瓷颗粒、水和添加剂。陶瓷颗粒的成分选择取决于多孔陶瓷制品的具 体用途。颗粒的大小一般应小于 100Λm , 最好是小于 45Λm , 水的用量为 10240%。添加剂主要 有粘结剂、流变化剂、反泡沫剂、絮凝剂。 粘结剂主要用来提高干坯的强度, 防止在有机泡沫气 化过程中倒塌。最常用的有硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等及胶化的A l (O H ) 3 和 SiO 2 胶体。此外, 还可以使用有机粘结剂。 流变化剂则用来提高浆料的触变性, 以便浸渍时使浆料在进入泡沫, 并均匀地涂在泡沫网上后有足够的粘度保持在泡沫中。流变化剂主要是一些天然的粘土, 用量 一般为 01121. 5%。反泡沫剂的加入是为了防止浆料起泡, 多用低分子量的醇或树脂等。絮凝 剂则用于改善浆料与有机泡沫之间的粘结性, 主要有聚乙二胺等。 (3) 浸渍及多余浆料的移去 ·36·
【摘 要】 本文评述了近年来多孔陶瓷材料制备技术的研究现状, 对目前研究比较活跃, 应用比较 成功的几种制备技术进行了分析, 并讨论了今后的发展趋势。
【关键词】 多孔陶瓷 制备 造孔剂 泡沫浸渍
Techn iques For Prepara tion of Porous Ceram ic M a ter ia ls
有机造孔剂主要是一些
天然纤维、高分子聚合物和有机酸等, 如锯末、萘、淀粉、及聚乙烯醇、尿素、甲基丙烯酸甲脂、聚
氯乙烯、聚苯乙烯等[324]。 造孔剂颗粒的大小和形状决定了多孔陶瓷材料气孔的大小和形状。
·34·
上述造孔剂均在远低于基体陶瓷烧结温度下分解或挥发, 由于是在较低温度形成孔, 因此 很可能有一部分、特别是较小的孔, 会在以后的高温烧结时封闭, 造成透过性能的降低。而采用 另一类型的透孔剂, 可以克服这些缺点。 这种类型造孔剂的特点是: 造孔剂在基体陶瓷烧结温 度下不排除, 基体烧成后, 用水、酸或碱溶液浸出造孔剂而成为多孔陶瓷。这类造孔剂包括熔点 较高而又可溶于水、酸或碱溶液的各种无机盐或其它化合物, 要求在陶瓷烧结温度下不熔化、 不分解、不烧结、不与基体陶瓷反应。 这类造孔剂特别适用于玻璃质较多的多孔陶瓷或多孔玻 璃的制造。 例如, K iefer[4] 申请了 N a2SO 4、CaSO 4、N aC l、CaC l2 等作造孔剂制造多孔玻璃的专 利。 而日本专利[5] 用 60% 的 Y2O 3 稳定的 ZrO 2 与 40% 的 Y2O 3 混合, 在 1150℃烧结后, 浸在 30w t% 的热盐酸中 5 小时, 也制成了多孔的 ZrO 2 陶瓷。
·33·
二、多孔陶瓷材料的制备技术
多孔陶瓷材料的材质种类繁多, 由于使用目的不同, 对材料的性能要求各异, 因此, 近年来 逐渐开发出许多不同的制备技术。其中应用比较成功, 研究比较活跃的有: 添加造孔剂工艺, 发 泡工艺, 有机泡沫浸渍工艺, 溶胶2凝胶工艺等。 表 1 比较了这几种工艺方法的特点及应用。
表 2 多孔陶瓷的成形方法比较
成形方法
优 点
缺 点
适用范围
模压 挤压
11 模具简单 21 尺寸精度高 31 操作方便, 生产率高 11 能制取细而长的管材 21 气孔沿长度方向分布均匀 31 生产率高可连续生产
11 气孔分布不均匀 21 制品尺寸受限制 31 制品形状受限制 11 需加入较多的增塑剂 21 泥料制备麻烦 31 对原料的粒度要求高
尺寸不大的管状、 片状、块状。
细而长的管材、棒 材, 某些异形截面 管材。
轧制
11 能制取长而细的带材及箔材 21 生产率高可连续生产
11 制品形状简单 21 粗粉末难加工
各种厚度的带材, 多层过滤器。
等静压 11 气孔分布均匀 21 适于大尺寸制品
注射
11 可制形状复杂的制品 21 气孔沿长度方向分布均匀
表 1 制取多孔陶瓷材料的各种工艺比较
成形方法
优 点
缺 点
应用实例
添加造孔 剂的方法
11 采用不同的成形方法, 可制 得形状复杂的制品 21 可制取各种气孔结构的多孔 制品
11 气孔分布均匀性差 21 不适合制取高气孔率的制品
一般过滤 器, 催化剂 支持体
有 机 泡 沫 11 能制取高气孔率的制品 浸渍方法 21 试样强度好
表1制取多孔陶瓷材料的各种工艺比较成形方法应用实例添加造孔剂的方法11采用不同的成形方法得形状复杂的制品21可制取各种气孔结构的多孔制品11气孔分布均匀性差21不适合制取高气孔率的制品一般过滤催化剂支持体有机泡沫浸渍方法11能制取高气孔率的制品21试样强度好11不能制造小孔径闭气孔的制21制品形状受限制31制品成份密度不易控制金属熔体过滤器发泡方法11特别适于制取闭气孔的制品21气孔率大强度高11对原料的要求高21工艺条件不易控制轻质建材保温材料溶胶2凝胶方法11适于制取微孔陶瓷21适于制取薄膜材料31气孔分布均匀11原料受限制21生产率低31制品形状受限制微孔分离11添加造孔剂工艺该工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂利用造孔剂在坯体中占据一定的空间然后经过烧造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷
11 原料受限制 21 生产率低 31 制品形状受限制
微孔分离 膜
11 添加造孔剂工艺
该工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂, 利用造孔剂在坯体中占据一定的空间, 然后经过烧
结, 造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷。 虽然在普通的陶瓷工艺中, 采用调整烧结温度
和时间的方法, 可以控制烧结制品的气孔率和强度, 但对于多孔陶瓷烧结温度太高会使部分气
作者系统研究了造孔剂添加量对制备多孔A l2O 3 陶瓷的影响, 发现造孔剂添加量不同, 不 仅直接影响最终多孔陶瓷的气孔率, 而且随造孔剂添加量增加, 多孔A l2O 3 的平均孔径和最大 孔径都将增大, 因此也提高了其透气系数, 但对其烧结活化能并无影响。 并且认为多孔A l2O 3 陶瓷的大部分力学性能更多的依赖于烧结温度, 而对气孔率的依赖性随烧结温度的提高而减 小。
注浆工艺能使陶瓷粉料与造孔剂较好地混合, 制成的多孔陶瓷气孔分布均匀, 且设备简 单, 因而这种工艺也是制备多孔陶瓷常用的方法。该工艺的技术关键是料浆的制备。也有日本 专利用 30% 290% 陶瓷原料, 加 10270% 的锯末作造孔剂, 制成悬浊液, 再加 0102% 的凝聚剂, 注浆或浇注成型,A u rio l[6]则采用乙醇作分散剂, 加 012% 的粘结剂来注浆成型。
【Key words】 Po rou s ceram ics, Fab rica tion, Po re2fo rm ing m a teria ls, Foam im p regna tion
一、前 言
近年来表面与界面起突出作用的新型材料日益受到重视, 既发现一些新的物理现象和效 应, 在应用上又很有潜力, 具有广泛的发展前景[1]。 多孔陶瓷材料正是一种利用物理表面的新 型材料。例如, 利用多孔陶瓷的均匀透过性, 可以制造各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混 合元件、渗出元件和节流元件等; 利用多孔陶瓷发达的比表面积, 可以制成各种多孔电极、催化 剂载体、热交换器、气体传感器等; 利用多孔陶瓷吸收能量的性能, 可以用作各种吸音材料、减 震材料等; 利用多孔陶瓷低的密度、低的热传导性能, 还可以制成各种保温材料、轻质结构材料 等[2], 加之其耐高温、耐气候性、抗腐蚀, 多孔陶瓷材料的应用已遍及冶金、化工、环保、能源、生 物等各个部门, 引起了全球材料学界的高度重视, 并得到了较快发展, 每年这方面的专利都有 近百篇, 而且有逐年增长的趋势。 但由于绝大多数制备工艺参数及关键问题处于技术保密状 态, 目前尚无系统论述各种制备技术的文章, 本文结合作者研制用于高温固体氧化物燃料电池 的多孔 A l2O 3 陶瓷支持管 (体) 的研究工作, 分析了多孔陶瓷材料制备技术的现状及今后的发 展趋势。
Zhu Sh izhen Zhao Zhenbo Be ij ing In stitute of Technology Be ij ing 100081
L iu Q ingguo Be ij ing Un ivers ity of Sc ience and Technology Be ij ing 100083
孔封闭或消失, 烧结温度太低, 则制品的强度低, 无法兼顾气孔率和强度, 而采用添加造孔剂的
方法则可以避免这种缺点, 使烧结制品既具有高的气孔率, 又具有很好的强度, 用该法制备的
多孔陶瓷, 气孔率一般在 50% 以下。
添加造孔剂法制备多孔陶瓷的工艺流程与普通的陶瓷工艺流程相似, 这种工艺方法的关
键在于造孔剂种类和用量的选择。
(2) 混料 为使多孔陶瓷制品的气孔分布均匀, 混料的均匀性非常重要。一般造孔剂的比重小于陶瓷 原料的比重, 另外它们的粒度大小往往不同, 因此, 难以使其很均匀混合。研究人员在这方面作 了许多努力。Sonup a rlak 等[3]采用二种不同的混料方法解决了上述问题。如果陶瓷粉末很细, 而造孔剂颗粒较粗或造孔剂溶于粘结剂中, 可以将陶瓷粉末与粘结剂混合造粒后, 再与造孔剂 混合。另一方法是将造孔剂和陶瓷粉末分别制成悬浊液, 再将二种料浆按一定比例喷雾干燥混 合。而日本专利则采用将造孔剂微粒与 ZrC l4 和稳定剂 YC l3 水溶液充分混合, 加氨水共沉淀, 得到一种胶状物质, 从而使造孔剂分布均匀。
粉浆浇注 11 能制形状复杂的制品 21 设备简单
11 尺寸公差大 21 生产率低
11 需加入较多的塑化剂 21 制品尺寸大小受限制
11 生产率低 21 原料受限制
大尺寸管材及异 形制品
各种形状复杂的 小件制品
复杂形状制品, 多 层过滤器。
(3) 成型
·35·
多孔陶瓷的成型方法与普通的陶瓷成型方法相似, 主要有模压、挤压、等静压、轧制、注射 和粉浆浇注等。 表 2 是各种成型方法的比较 其中应用比较成功, 用得最多的是挤压成型[4, 6], 特别是用于工业废气和汽车尾气净化的蜂窝 状陶瓷的成型。A u rio l 等[6]曾采用 9% 凡士林和 16% 的水胶 (115% 甲基纤维素) 作增塑剂, 成 功制取了挤压泥料。K iefer[4]则用生淀粉作造孔剂, 用淀粉浆糊、甲基纤维素或聚乙烯醇等作 增塑剂, 挤压成型制备蜂窝状陶瓷。 日本专利还采用过水合A l2O 3 加磷酸制备泥料。
11 不能制造小孔径闭气孔的制 品 21 制品形状受限制 31 制品成份密度不易控制
金属熔体 过滤器
发泡方法
11 特别适于制取闭气孔的制品 21 气孔率大, 强度高
11 对原料的要求高 21 工艺条件不易控制
轻质建材, 保温材料
溶 胶2凝 胶 方法
11 适于制取微孔陶瓷 21 适于制取薄膜材料 31 气孔分布均匀
பைடு நூலகம்
(1) 造孔剂种类和用量的选择
造孔剂加入的目的在于促使气孔率增加, 它必须满足下列要求: 在加热过程中易于排除;
排除后在基体中无有害残留物; 不与基体反应。
造孔剂的种类有无机和有机二类。 无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解
盐类[ 1
]
,
以及其它可分解化合物如
S
i3N
[2 4
],
或无机碳如煤粉、碳粉等。
第 14 卷第 3 期 V o l. 14 N o. 3
材 料 科 学 与 工 程 M a teria ls Science & Eng ineering
总第 55 期 Sep t. 1996
多孔陶瓷材料的制备技术
朱时珍 赵振波 北京理工大学 北京 100081
刘庆国 北京科技大学 北京 100083
模压成型的最大优点是简单方便, 如果对制品的质量要求不高, 较小的片状、块状或管状 的多孔陶瓷都可用模压成型的方法制备。
(4) 烧结 多孔陶瓷的烧结制度主要取决于原料, 添加剂及最后制品所需的性能。 一般, 当多孔陶瓷坯料中添加剂较多时, 为了不使坯体在烧结过程中破裂, 必须严格控制 升温速率。 另外, 从方便排除各种有机添加剂考虑, 必须在添加剂排除温度下保持足够长的时 间。提高烧结温度, 延长烧结时间, 有利于提高烧结体的强度, 但会降低制品的气孔率。这目前 仍是多孔陶瓷实用化面临的问题之一。 21 有机泡沫浸渍工艺 有机泡沫浸渍法是用有机泡沫浸渍陶瓷浆料, 干燥后烧掉有机泡沫, 获得多孔陶瓷的一种 方法。 该法适于制备高气孔率, 开气孔的多孔陶瓷。 自从 Schw a rtzw a lder[7]首先发明该法以来, 经过不断的改进与发展, 目前已日趋成熟。 下 面就一些关键步骤予以分析。 (1) 有机泡沫的选择 选择有机泡沫首先要考虑的是孔径大小, 因为泡沫孔径的大小决定了最后制品的孔径尺 寸。 另外泡沫的恢复力和气化温度也很重要, 恢复力要足够大, 而气化温度要低于陶瓷的烧结 温度。 满足以上条件的有机泡沫材料有聚氨基甲酸乙脂、纤维素、聚氯乙烯和聚苯乙烯等。 其中 聚氨基甲酸乙脂由于具有低的软化温度, 特别适于这种场合。 因为当加热分解有机泡沫时, 聚 氨基甲酸乙脂已软化, 烧掉它时不产生任何应力, 保证了未烧结陶瓷体不会破裂。 (2) 陶瓷浆料的制备 浆料的基本组成是陶瓷颗粒、水和添加剂。陶瓷颗粒的成分选择取决于多孔陶瓷制品的具 体用途。颗粒的大小一般应小于 100Λm , 最好是小于 45Λm , 水的用量为 10240%。添加剂主要 有粘结剂、流变化剂、反泡沫剂、絮凝剂。 粘结剂主要用来提高干坯的强度, 防止在有机泡沫气 化过程中倒塌。最常用的有硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等及胶化的A l (O H ) 3 和 SiO 2 胶体。此外, 还可以使用有机粘结剂。 流变化剂则用来提高浆料的触变性, 以便浸渍时使浆料在进入泡沫, 并均匀地涂在泡沫网上后有足够的粘度保持在泡沫中。流变化剂主要是一些天然的粘土, 用量 一般为 01121. 5%。反泡沫剂的加入是为了防止浆料起泡, 多用低分子量的醇或树脂等。絮凝 剂则用于改善浆料与有机泡沫之间的粘结性, 主要有聚乙二胺等。 (3) 浸渍及多余浆料的移去 ·36·
【摘 要】 本文评述了近年来多孔陶瓷材料制备技术的研究现状, 对目前研究比较活跃, 应用比较 成功的几种制备技术进行了分析, 并讨论了今后的发展趋势。
【关键词】 多孔陶瓷 制备 造孔剂 泡沫浸渍
Techn iques For Prepara tion of Porous Ceram ic M a ter ia ls
有机造孔剂主要是一些
天然纤维、高分子聚合物和有机酸等, 如锯末、萘、淀粉、及聚乙烯醇、尿素、甲基丙烯酸甲脂、聚
氯乙烯、聚苯乙烯等[324]。 造孔剂颗粒的大小和形状决定了多孔陶瓷材料气孔的大小和形状。
·34·
上述造孔剂均在远低于基体陶瓷烧结温度下分解或挥发, 由于是在较低温度形成孔, 因此 很可能有一部分、特别是较小的孔, 会在以后的高温烧结时封闭, 造成透过性能的降低。而采用 另一类型的透孔剂, 可以克服这些缺点。 这种类型造孔剂的特点是: 造孔剂在基体陶瓷烧结温 度下不排除, 基体烧成后, 用水、酸或碱溶液浸出造孔剂而成为多孔陶瓷。这类造孔剂包括熔点 较高而又可溶于水、酸或碱溶液的各种无机盐或其它化合物, 要求在陶瓷烧结温度下不熔化、 不分解、不烧结、不与基体陶瓷反应。 这类造孔剂特别适用于玻璃质较多的多孔陶瓷或多孔玻 璃的制造。 例如, K iefer[4] 申请了 N a2SO 4、CaSO 4、N aC l、CaC l2 等作造孔剂制造多孔玻璃的专 利。 而日本专利[5] 用 60% 的 Y2O 3 稳定的 ZrO 2 与 40% 的 Y2O 3 混合, 在 1150℃烧结后, 浸在 30w t% 的热盐酸中 5 小时, 也制成了多孔的 ZrO 2 陶瓷。
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二、多孔陶瓷材料的制备技术
多孔陶瓷材料的材质种类繁多, 由于使用目的不同, 对材料的性能要求各异, 因此, 近年来 逐渐开发出许多不同的制备技术。其中应用比较成功, 研究比较活跃的有: 添加造孔剂工艺, 发 泡工艺, 有机泡沫浸渍工艺, 溶胶2凝胶工艺等。 表 1 比较了这几种工艺方法的特点及应用。
表 2 多孔陶瓷的成形方法比较
成形方法
优 点
缺 点
适用范围
模压 挤压
11 模具简单 21 尺寸精度高 31 操作方便, 生产率高 11 能制取细而长的管材 21 气孔沿长度方向分布均匀 31 生产率高可连续生产
11 气孔分布不均匀 21 制品尺寸受限制 31 制品形状受限制 11 需加入较多的增塑剂 21 泥料制备麻烦 31 对原料的粒度要求高
尺寸不大的管状、 片状、块状。
细而长的管材、棒 材, 某些异形截面 管材。
轧制
11 能制取长而细的带材及箔材 21 生产率高可连续生产
11 制品形状简单 21 粗粉末难加工
各种厚度的带材, 多层过滤器。
等静压 11 气孔分布均匀 21 适于大尺寸制品
注射
11 可制形状复杂的制品 21 气孔沿长度方向分布均匀
表 1 制取多孔陶瓷材料的各种工艺比较
成形方法
优 点
缺 点
应用实例
添加造孔 剂的方法
11 采用不同的成形方法, 可制 得形状复杂的制品 21 可制取各种气孔结构的多孔 制品
11 气孔分布均匀性差 21 不适合制取高气孔率的制品
一般过滤 器, 催化剂 支持体
有 机 泡 沫 11 能制取高气孔率的制品 浸渍方法 21 试样强度好
表1制取多孔陶瓷材料的各种工艺比较成形方法应用实例添加造孔剂的方法11采用不同的成形方法得形状复杂的制品21可制取各种气孔结构的多孔制品11气孔分布均匀性差21不适合制取高气孔率的制品一般过滤催化剂支持体有机泡沫浸渍方法11能制取高气孔率的制品21试样强度好11不能制造小孔径闭气孔的制21制品形状受限制31制品成份密度不易控制金属熔体过滤器发泡方法11特别适于制取闭气孔的制品21气孔率大强度高11对原料的要求高21工艺条件不易控制轻质建材保温材料溶胶2凝胶方法11适于制取微孔陶瓷21适于制取薄膜材料31气孔分布均匀11原料受限制21生产率低31制品形状受限制微孔分离11添加造孔剂工艺该工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂利用造孔剂在坯体中占据一定的空间然后经过烧造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷
11 原料受限制 21 生产率低 31 制品形状受限制
微孔分离 膜
11 添加造孔剂工艺
该工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂, 利用造孔剂在坯体中占据一定的空间, 然后经过烧
结, 造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷。 虽然在普通的陶瓷工艺中, 采用调整烧结温度
和时间的方法, 可以控制烧结制品的气孔率和强度, 但对于多孔陶瓷烧结温度太高会使部分气
作者系统研究了造孔剂添加量对制备多孔A l2O 3 陶瓷的影响, 发现造孔剂添加量不同, 不 仅直接影响最终多孔陶瓷的气孔率, 而且随造孔剂添加量增加, 多孔A l2O 3 的平均孔径和最大 孔径都将增大, 因此也提高了其透气系数, 但对其烧结活化能并无影响。 并且认为多孔A l2O 3 陶瓷的大部分力学性能更多的依赖于烧结温度, 而对气孔率的依赖性随烧结温度的提高而减 小。
注浆工艺能使陶瓷粉料与造孔剂较好地混合, 制成的多孔陶瓷气孔分布均匀, 且设备简 单, 因而这种工艺也是制备多孔陶瓷常用的方法。该工艺的技术关键是料浆的制备。也有日本 专利用 30% 290% 陶瓷原料, 加 10270% 的锯末作造孔剂, 制成悬浊液, 再加 0102% 的凝聚剂, 注浆或浇注成型,A u rio l[6]则采用乙醇作分散剂, 加 012% 的粘结剂来注浆成型。
【Key words】 Po rou s ceram ics, Fab rica tion, Po re2fo rm ing m a teria ls, Foam im p regna tion
一、前 言
近年来表面与界面起突出作用的新型材料日益受到重视, 既发现一些新的物理现象和效 应, 在应用上又很有潜力, 具有广泛的发展前景[1]。 多孔陶瓷材料正是一种利用物理表面的新 型材料。例如, 利用多孔陶瓷的均匀透过性, 可以制造各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混 合元件、渗出元件和节流元件等; 利用多孔陶瓷发达的比表面积, 可以制成各种多孔电极、催化 剂载体、热交换器、气体传感器等; 利用多孔陶瓷吸收能量的性能, 可以用作各种吸音材料、减 震材料等; 利用多孔陶瓷低的密度、低的热传导性能, 还可以制成各种保温材料、轻质结构材料 等[2], 加之其耐高温、耐气候性、抗腐蚀, 多孔陶瓷材料的应用已遍及冶金、化工、环保、能源、生 物等各个部门, 引起了全球材料学界的高度重视, 并得到了较快发展, 每年这方面的专利都有 近百篇, 而且有逐年增长的趋势。 但由于绝大多数制备工艺参数及关键问题处于技术保密状 态, 目前尚无系统论述各种制备技术的文章, 本文结合作者研制用于高温固体氧化物燃料电池 的多孔 A l2O 3 陶瓷支持管 (体) 的研究工作, 分析了多孔陶瓷材料制备技术的现状及今后的发 展趋势。
Zhu Sh izhen Zhao Zhenbo Be ij ing In stitute of Technology Be ij ing 100081
L iu Q ingguo Be ij ing Un ivers ity of Sc ience and Technology Be ij ing 100083