堇青石泡沫陶瓷的制备及其表征(课程设计)

课程设计（学年论文）说明书课题名称：堇青石泡沫陶瓷的制备及其表征专业班级：学生学号：学生姓名：学生成绩：指导教师：课题工作时间：至1.文献综述1.1 泡沫陶瓷的研究现状泡沫陶瓷材料的发展始于2O世纪7O年代，是一种具有可耐高温的多孔材料。

其孔径从纳米级到微米级不等，具有三维空间网架结构，气孔率在20％～95％之间，其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海绵体。

根据材质不同，泡沫陶瓷的使用温度为常温～1600℃。

它分布均匀且存在相互贯通的微孔, 因而具有密度小、气孔率较高、比表面积大、低热传导率、耐高温、耐腐蚀等优点。

此外, 泡沫陶瓷制造工艺简单, 通过选择不同的材质和控制加工工艺的过程, 可以制成适合于不同用途的泡沫陶瓷产品。

近年来, 泡沫陶瓷被广泛应用于隔热隔音材料、工业污水处理、汽车尾气处理、电工电子领域、医用材料领域以及生物化学领域.自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土等陶瓷料浆研制的泡沫陶瓷，用于铝合金铸造过滤之后，英、日、德、瑞士等国家竞相开展了研究，生产工艺日益先进，技术装备越来越向机械化、自动化发展，根据应用的目的不同，已研制出多种材质、适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器，如Al O 、ZrO 、SiC、Si N 、硼化物等高温泡沫陶瓷，有的还加入了一定的矿物，如莫来石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等。

目前泡沫陶瓷产品已实现系列化、标准化，形成了陶瓷材料的一个重要分支. 但由于我国的泡沫陶瓷起步较晚, 与国外技术发展相比尚有一定差距。

有不少问题需要进一步解决, 如研究陶瓷的材质, 更好的提高泡沫陶瓷的性能。

使之既符合耐急冷急热的性能要求, 而又具有较高的使用温度, 使它不但能用于低温熔化的铝合金过滤, 也可以用于钢铁等高温熔融金属的过滤; 提高泡沫陶瓷的强度, 防止产生陶瓷粒掉渣现象发生; 改进制造工艺, 使泡沫陶瓷的制备完成大型化、一体化, 最大幅度的降低成本增强市场竞争力。

泡沫陶瓷材料的制备方法很多, 目前应用比较普遍的有: 发泡法、溶胶) 凝胶法、添加造孔剂法、有机前驱体浸渍法、注模法、自蔓延高温合成法等。

每种工艺方法都有其各自的特点, 在实际生产中, 往往同时采用多种工艺方法, 以提高产品的性能。

1 发泡法发泡法的主要原理是在陶瓷粉料中加人适当的发泡剂, 通过化学反应产生挥发性气体从而产生泡沫, 然后再经干燥和烧成制得。

2 溶胶- 凝胶法溶胶- 凝胶法利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理等过程中留下小气孔, 形成可控孔隙结构。

3 添加造孔剂法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, 造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫陶瓷。

造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫陶瓷材料气孔的形状和大小。

4 有机前驱体浸渍法该方法基本思路是: 首先将有机泡沫浸渍到陶瓷料浆中, 然后经过干燥、烧成使有机泡沫脱离母体就可以获得泡沫陶瓷。

通过控制浆料性能, 优化无机粘结剂体系, 严格控制浆料浸渍工艺过程, 可以制备高性能的泡沫陶瓷制品。

5 注模法注模法是将有机单体溶液与陶瓷粉体、引发剂和催化剂球磨混合成均匀浆料, 然后浸渍聚合物泡沫使之在泡沫网络骨架表面形成涂层, 最后有机单体在引发剂和催化剂作用下产生原位聚合反应, 使浆料凝固。

6 高温自蔓延( SHS) 合成法高温自蔓延合成方法是一种高放热无机化学反应, 其基本反应过程是: 向体系提供必要能量, 诱发体系局部产生化学反应, 这一化学反应过程在自身放出的高热量的支持下继续进行, 最后将燃烧波蔓延到整个体系。

7 微波加热工艺微波加热工艺是指依靠物体吸收微波转换成热能, 同时自身整体加热至一定温度蒸发水分并制成泡沫陶瓷, 可以适当添加纤维来改善泡沫陶瓷的强度。

此外, 还有机械搅拌法、离子交换法、有机泡沫堆积法、热压法、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, 在实际应用中可以根据需要选择合适的制备方法.1.2 泡沫陶瓷的性能与用途泡沫陶瓷的性能1 气孔率泡沫陶瓷的气孔率为70% ~ 90%, 对多孔陶瓷来说, 这是最高的。

蜂窝陶瓷的气孔率约为60%, 陶瓷颗粒烧结体的气孔率约为30% ~ 50%。

2 抗弯强度泡沫陶瓷的强度主要依赖于陶瓷材质和网络骨架的粗细。

骨架的粗细可以用泡沫陶瓷的体积密度来表示。

表1 列出了不同陶瓷材质与不同体积密度的抗弯强度。

若使骨架变粗可以提高体积密度, 增加制品的机械强度。

但提高得过多, 气孔孔隙会被料浆堵塞, 压力损失变大。

对于蜂窝陶瓷来说, 在格子平行的方向, 垂直方向和斜度方向强度相差很大, 而泡沫陶瓷是一种三维方向一致的结构体, 其强度没有方向性的变化。

3 热震稳定性泡沫陶瓷作为熔融金属的过滤材料, 因为其使用于温度急变的场合, 必须具有良好的抗热震稳定性, 现将山东工业陶瓷研究设计院研制的泡沫陶瓷制品的性能示于表2。

4 网眼孔径由于金属熔体的粘度、密度及流动性不同, 应选择不同大小的滤板网眼孔径。

泡沫陶瓷的网眼孔径一般可控制在0. 2~ 3 •范围内, 通常分为粗、中、细孔3 个等级。

泡沫陶瓷的用途：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, 就会影响到人类的生存环境, 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的高渗透性泡沫陶瓷可有效地除去高温含尘气体中的杂质。

当今世界环境污染的问题越来越严重, 有害物的排放越来越多, 处理不当就会影响到人类的生存环境,因此, 污染物减排已成为当今时代的主题。

除臭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; 泡沫陶瓷在汽车工业的减排问题上得到了成功的应用。

此外, 采用耐高温、强度高的抗热震性的高渗透性泡沫陶瓷可有效地除去高温含尘气体中的物质。

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。

2 吸声材料由于泡沫陶瓷具有大量的从表到里的三维互相贯通的网状小孔结构, 当声波传入泡沫陶瓷内部引起孔隙中的空气振动, 并与陶瓷筋络发生磨擦, 由于粘滞作用声波转换为热能而消耗, 从而达到吸收噪音的效果。

目前研究人员正在把泡沫陶瓷作为一种降音隔声屏障材料用于地铁、隧道、影剧院等有较高噪音的地方, 效果很好。

由于泡沫陶瓷具有大量的由表及里的三维互相贯通的网状小孔结构，当声波传播到泡沫陶瓷上时，引起孔隙中的空气振动，并与陶瓷筋络发生摩擦，由于粘滞作用，声波转换为热能而消耗，从而达到吸收噪音的效果。

现在已经得到应用的包括安装在汽车排气管中间的泡沫陶瓷，用来减少汽车排气管的噪音。

一些新型建筑材料也广泛采用泡沫陶瓷作为墙体材料，实践证明可以达到非常好的隔音效果。

3 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。

由泡沫陶瓷制备的典型耐热材料为耐热砖,其材质有Al2 O3、SiC 和镁质材料等, 其使用温度高达1 600 e 。

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, 被广泛应用于航天飞机外壳的隔热等。

泡沫陶瓷的较高的气孔率和较低的基体导热系数，使其具有热传导率低、抗热震性能优良等特性，因而具有很好的隔热保温效果。

利用这种优点可以将其用于各种防止热辐射的场合，以及用于保温节能方面。

因此从环保和节能两方面来说都是有利的。

使用泡沫陶瓷制备的建筑材料就可以让房屋具有非常好的保温隔热效果，这种先进的材料目前在国内部分新建的住宅小区和办公楼中已经得到应用。

除了日常生活中的应用，泡沫陶瓷在航空航天领域也有着重要的应用，比如航天器的热保护系统就广泛采用了泡沫陶瓷材料。

4 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。

5 过滤器作为过滤材料，多孔陶瓷具备很多优点：化学稳定性好，耐酸碱及有机溶剂；极好的耐急冷急热性能，最高工作温度可达1600℃；抗菌性能好，不易被细菌降解，不易堵塞；无毒，尤其适用于食品行业和药物的处理。

可广泛应用于各种液体和气体过滤，在空气净化、工业用水、生活用水处理和污水净化等方面获得越来越广泛的应用。

比如汽车尾气和发电厂烟气中的烟尘，半导体工业废水中的重金属元素等都是重要的环境污染源。

让废气或废液通过泡沫陶瓷体，其中的有害物质颗粒物就会被拦截或者吸附在泡沫结构中，而净化后的气体或液体就可以排放到自然界中了。

泡沫陶瓷的一个典型应用就是柴油机尾气过滤、热电厂和工业锅炉的烟尘过滤。

利用泡沫陶瓷具备高孔隙度且拥有相当大的热交换面积及具有优良的热辐射特性不仅可以有效除去高温含尘气体，还可节约能源。

再如利用泡沫陶瓷替代目前国内水处理行业使用的石英砂过滤材料后，可大幅提高水处理效率，减少环境污染，降低水处理成本。

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；城市污水处理过程中，泡沫陶瓷材料也成为曝气处理所用材料。

泡沫陶瓷扮演着“环境净化使者”的角色。

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性能和加工性能。

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的、高效率的过滤器。

它不同于通常的单层钻孔筛板和玻璃纤维网, 而是有着多层网络和弯曲的通孔, 能充分滤去铝合金熔体中的细小非金属夹杂物, 从而提高铸件的质量。

泡沫陶瓷过滤片用于铝合金熔体的过滤, 通常选用堇青石质, 网眼尺寸为0. 8~ 1. 0 mm。

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。

6 选煤厂浮选精煤脱水选煤厂的精滤工序通常使用滤盘外包上有机材料滤布的真空过滤机, 近年来加压真空过滤机也得到了广泛应用。

但此种方法得到的煤泥饼水分较高, 可达25% ~ 30%。

如果使用孔径为0. 9~ 3. 5 Lm, 孔隙率38% 的氧化锆泡沫陶瓷制成的微孔滤板来代替有机滤板, 可以有效地降低煤泥饼中的含水量及提高脱水效率, 同时还可以大大降低加压风的消耗, 减少维修费用和成本, 有较高的经济效益。