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：

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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