多孔陶瓷的结构及性能

多孔陶瓷的结构性能及应用

摘要：本文综合论述多孔陶瓷的结构、组成、性能并围绕其在能源与环保领域的应用展开介绍，体现其作为一种绿色环保材料的重要意义和应用价值。

关键词：多孔陶瓷；结构；组成；性能；应用；能源；绿色

前言：

当今世界，工农业的发展导致了能源的大量消耗和环境的恶化，解决能源和环境问题已刻不容缓。人们越来越关注可持续发展的问题，世界各国都对这一问题予以充分重视，并将其作为重要内容列入国家发展计划。煤炭、石油和天然气等大量不可再生能源的消耗使得人们不得不考虑如何节能以及如何寻找新的替代能源？而由于污染带来的各种生态环境破坏，对自然的和谐发展和人类健康带来了空前的挑战。因此，在二十一世纪，着眼于解决能源与环境问题的高新技术将得到广泛关注，并将对自然和社会的良性发展起到重要作用。

正文：

一、什么是多孔体陶瓷

多孔陶瓷是一种含有气孔的固体材料，一般来说，气孔在多孔陶瓷体中所占的体积分数在20％到95％之间。根据气孔的类型，可以分为开气孔和闭气孔两种，前者的气孔都是相互贯通的并与外界环境相连，而后者则是封闭在陶瓷体内的孤立气孔，在不同的场合中它们分别有不同的用途。

根据应用的目的不同，多孔陶瓷材料的组成也不同，具体包括氧化铝、堇青石、莫来石、海泡石、碳化硅、氧化锆、羟基磷灰石等等。为了获得一定形状和结构的多孔陶瓷材料，制备工艺过程起到了决定作用。目前，主要的几种多孔陶瓷制备工艺包括发泡工艺、挤出成型工艺以及有机泡沫浸渍工艺，这三种工艺制得的多孔制品分别被形象地称为泡沫多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷和网眼多孔陶瓷。

由于其本身具有的独特性能，多孔陶瓷已经在我们的日常生活和现代工业生产中得到广泛的应用，包括分离与过滤、催化剂及其载体、生物反应器、燃料电池材料、气体传感器、隔热材料、热交换器、生物医学材料等等。能源和环境问题是社会健康和谐发展的永恒主题，多孔陶瓷在这些领域的广泛应用将产生不可估量的经济和社会效益。

二、多孔陶瓷的结构及其性能

多孔陶瓷材料由于其独特的多孔结构而具有热导率低、体积密度小、比表面积高，以及具有独特物理和化学性能的表面结构等优点，加之陶瓷材料本身特有的耐高温、化学稳定性好、强度高等特点，使多孔陶瓷在能源和环境领域有广泛的应用，具体体现在以下各个方面：1．消声器。在城市生活中，噪音是一种重要的污染。走在城市的街道上，可以听到来自于汽车排气管、飞机飞行以及空调压缩机工作等造成的各种让人心烦的噪声，而这一切其实都可以通过应用多孔陶瓷得以缓解，甚至消除。多孔陶瓷具有丰富的孔隙，当声波传播到多孔陶瓷上时，在网状的孔隙内引起空气的振动，进而通过空气与多

孔陶瓷基体之间的摩擦，声波的能量转变成热能而被消耗，从而达到消除噪声的效果。现在已经得到应用的多孔陶瓷包括安装在汽车排气管中间的蜂窝状多孔陶瓷，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多孔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，在住宅、影剧院、医院等需要隔离噪音的场所具有广阔的应用前景。

2．过滤与分离。各种废气、城市生活污水和工业废水都需要进行相应的过滤和分离才能排放到自然环境中，多孔陶瓷则扮演着“环境净化使者”的角色。废气和废液中常常含有一些有毒有害的物质，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，如果不加以处理，则会造成酸雨、河流和土壤的污染等严重后果。使用多孔陶瓷，让废气或废液通过多孔的陶瓷体，其中的有害物质颗粒物就会被拦截或者吸附在多孔结构中，而净化后的气体或液体就可以排放到自然界中了。

蜂窝陶瓷过滤尾气的作用机制这方面的一个典型应用就是柴油机尾气过滤，在城市中，大量公交车都是采用柴油机发动的，但是柴油因为燃烧不完全，在尾气中存在数量巨大的微细碳粒，这也就是我们常常看到的公交车行驶中排放的“黑烟”，这些颗粒物如果被人体吸入就会产生各种呼吸道疾病。柴油车尾气颗粒物过滤的途径是让尾气通过一种“壁流式”的蜂窝陶瓷，这种材料通过一定的模具挤出成型获得类似于马蜂窝一样的结构，但是蜂窝结构的孔道分别在两端被一隔一地堵上，因此当尾气从入口孔道进入后必须流过蜂窝陶瓷孔道

的壁，并从出口孔道排出，这也就是这种蜂窝陶瓷被称为“壁流式”的原因。因为气体分子非常小，所以很容易通过疏松多孔的孔壁材料，而尾气中的颗粒物则被捕集在孔壁表面。但是，当捕集的颗粒物数量达到一定程度时就需要通过燃烧碳粒，再生过滤器，这样才能降低气流阻力，继续正常使用。

高温废气的除尘也是多孔陶瓷的一个应用典范。在发达国家，利用多孔陶瓷除尘是一种最新、最有效的高温烟气除尘技术，我国有热电厂几百座、工业锅炉几十万台，每年排放的烟尘高达一亿吨以上，造成严重的环境污染问题，如果采用多孔陶瓷除尘将带来巨大的环保效益。

3.催化剂载体。很多污染物都需要在催化剂的作用下进行催化处理，但是催化剂必须涂覆在一种载体上才能有效的起作用。与金属、高分子等材料相比，陶瓷材料更适用于各种高温、腐蚀性环境，因此被广泛应用在催化剂载体领域。目前得到广泛应用的多孔陶瓷催化剂载体包括用于化工领域的陶瓷膜和用于汽车尾气净化的蜂窝陶瓷，具体而言是在多孔陶瓷基体上形成高比表面积的过渡层材料，然后将催化剂负载于这层高比表面积的过渡层上，就构成了一组催化反应器。比如汽车尾气中的氮氧化物、一氧化碳等对人体有害的气体就可以通过催化转化作用变成氮气和二氧化碳这些没有毒性的气体排放到大气中。虽然起催化作用的是催化剂，但是多孔陶瓷支撑体起到了提供催化反应器和分散催化剂的重要作用，而且支撑体本身性能的优劣（化学稳定性、热稳定性等）将直接影响到催化剂效能的发挥。

4.保温隔热材料。多孔陶瓷具有较高的气孔率和较低的基体导热系数，所以这种材料具有很好的隔热保温效果。利用多孔陶瓷的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。举个例子，当冬天或者夏天我们在室内打开空调的时候就需要房屋具有良好的隔热能力，否则室内温度的调节就很难实现。如果房屋的隔热效果很差，那就像开着门窗让空调工作一样，基本上不能达到调节温度的效果，而且因为空调不停地工作而带来了电能的巨大消耗。使用多孔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，多孔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多孔陶瓷材料。

5.燃料电池材料。为了缓解能源危机，寻找新的能源，人们提出了使用燃料电池技术来发电，具体而言就是采用氢气、甲烷等燃料通过电化学反应，将化学能转化成电能。历史上燃料电池应用的范例是它曾“参与”了20世纪60年代末美国的“阿波罗”登月计划。该项技术采用了清洁的原料，发电过程没有污染排放，是一种绿色能源技术，因此得到了世界各国的广泛关注，并且已经成为当今科技竞争的前沿课题。固体氧化物燃料电池（SOFC）是目前燃料电池领域的研究热点。