氧化铝多孔陶瓷的制备和性能研究 化工论文40

氧化铝多孔陶瓷的制备和性能研究

摘要：综合论述了国内外多孔氧化铝陶瓷的制备方法及性能的研究进展,并对目前存在的问题及将来的研究方向进行了展望。

关键词：氧化铝多孔陶瓷、制备、展望

一、引文：

多孔氧化铝陶瓷是指以氧化铝为骨料,通过在材料成形与高温烧结过程中,内部形成大量彼此相通或闭合的微孔或孔洞。较高的孔隙率的特性,使其对液体和气体介质具有有选择的透过性,较低的热传导性能,再加上陶瓷材料固有的耐高温、抗腐蚀、高的化学稳定性的特点,使其在气体和液体过滤、净化分离、化工催化载体、生物植入材料、吸声减震和传感器材料等众多领域有着广泛的应用前景。多孔氧化铝陶瓷上述优异的性能和低廉的制造成本,引起了科学界的高度关注。笔者就目前国内外多孔氧化铝陶瓷的制备方法、性能的研究进展进行综述。

二、氧化铝晶体的结构

氧化铝，属离子晶体，成键为共价键，熔点为2050℃，沸点为3000℃，真密度为3.6g/cm。它的流动性好，难溶于水，能溶解在熔融的冰晶石中。它是铝电解生产的中的主要原料。有四种同素异构体β－氧化铝δ－氧化铝γ－氧化铝α－氧化铝，主要有α型和γ型两种变体，工业上可从铝土矿中提取。名称氧化铝;刚玉;白玉;红宝石;蓝宝石;刚玉粉;corundum化学式Al2O₃外观白色晶状粉末或固体。氧化铝和酸碱都能反应，所以此材料不易接近酸碱~会腐蚀。

三、氧化铝多孔陶瓷的特性

多孔陶瓷是以气孔为主相的一类陶瓷材料,是由各种颗粒与结合剂组成的坯

料,经过成型、烧成等工艺制得的,调节各种颗粒料之间的矿物组成、颗粒级配比和坯料的烧成温度,多孔陶瓷可具有不同的物理和化学特性，多孔陶瓷材料孔道分布较均匀,便于成型及烧结,具化学稳定性好,质轻,耐热性好,比表面积大,良好的抗热冲击性质等特性。由于多孔陶瓷所具有的很多优良特性,现代科学技术的进一步发展,新型多孔陶瓷材料受到人们的关注,现已广泛应用与国民生产的诸多领域,如保温隔热材料、过滤器材料、催化剂载体、吸音、隐身材料等,而其节能及过滤等方面的研究与开发,都使得多孔陶瓷作为环保型绿色材料有着广阔的应用前景。Al2O3多孔陶瓷的特点是造价低,机械强度高,绝缘度高,耐高温,耐高压等特点。其产品可用于电子电器,热工仪表,石油化工等领域。

四、氧化铝多孔陶瓷的制备

多孔氧化铝陶瓷的制备方法多孔氧化铝陶瓷的制备工艺主要包括孔结构的形成,坯体的成形和坯体的烧结3个方面。关于孔结构形成的方法既有传统的通过机械挤出成孔法、颗粒堆积形成气孔法、添加造孔剂成孔法、发泡工艺成孔法、有机泡沫浸渍成孔法[1],也有新型的铝板阳极氧化法、溶胶-凝胶法等。关于坯体成形工艺主要有模压成形法[2]、凝胶注模成形法、固体粒子烧结法、挤压成形法等。如何得到高的气孔率,且能较好地控制孔径及其分布、形状、三维排列等,则需要选择合适的方法和工艺。下面介绍几种氧化铝多孔陶瓷常用的制备方法。

（1）造孔剂成孔+凝胶注模法+高温烧结法

造孔剂成孔法是将一定量的造孔剂添加到陶瓷坯料中,造孔剂在坯体中会占据一定的空间,经过低温烧结后,造孔剂离开基体形成气孔得到多孔陶瓷。造孔剂的种类分为有无机和有机两大类。无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解的盐类,以及煤粉、碳粉等;有机造孔剂主要是天然纤维、高分子聚合

物和有机酸等,如淀粉、尼龙纤维等。目前应用较多的是加入有机造孔剂,且效果较好。由于造孔剂颗粒的大小及形状决定最终成孔的大小和形状,且造孔剂添加量决定了最终的气孔率,所以选择合适的造孔剂是制备多孔陶瓷的关键问题。凝胶注模成形法利用料浆内部或少量添加剂的化学反应作用使陶瓷料浆原位凝固形成坯体,获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯,从而显著提高材料的可靠性。目前,应用造孔剂成孔+凝胶注模法+高温烧结法制备多孔陶瓷是比较普遍的方法,且制得的多孔陶瓷孔结构好,力学性能相对来讲也较理想。邵庄等采用凝胶注模和加造孔剂的工艺,用甲基丙烯酸—羟乙酯(HEMA)取代丙烯酰胺(AM)作为单体,用十二烷基硫酸钠作为造孔剂,将样品于1 600℃下保温2 h烧结,成功制备出了气孔率为80%的、结构均匀的氧化铝多孔陶瓷。

（2）发泡工艺成孔+凝胶注模成形+高温烧结法

发泡工艺成孔是将有机化学物质如长链的表面活性剂,生物大分子如蛋白质[8]或无机化学物质(如碳酸氢铵、碳酸钙、十二烷基磺酸钠等)添加到陶瓷组分中,经处理形成挥发性气体,产生的泡沫经干燥和烧成制得多孔陶瓷。此工艺的优点是易于控制制品的形状、成分和密度,且可制备各种孔径大小和形状的多孔陶瓷,尤其特别适用于生产闭气孔的陶瓷制品。关于有机的发泡剂目前存在如下问题:①采用传的长链的表面活性剂发泡制备泡沫的稳定性较差;②在气液界面的吸附能较低,容易脱附,所以在表面张力的作用下,气泡容易出现长大,排水和塌陷等现象,泡沫结构迅速变化,会给后续陶瓷成形工艺带来不便。杨金龙等采用短链两亲分子戊酸修饰氧化铝颗粒,使其具有部分的疏水性,在机械搅拌的作用下,制备出稳定的泡沫浆料,并结合凝胶注模成形技术,经高温烧结成功制备了高气孔率、高强度的氧化铝泡沫陶瓷。

（3）有机泡沫浸渍成孔+凝胶注模成形+高温烧结法

有机泡沫浸渍成孔法是将制备好的料浆均匀地涂覆在具有开孔的三维网状骨架的有机泡沫网状体上,低温干燥后烧掉有机泡沫体而获得一种网眼多孔陶瓷。此方法首先要考虑孔的形状和大小,同时还要求泡沫要有一定的亲水性和足够的回弹性。另外,还需要考虑泡沫的气化温度,要求低于陶瓷的烧结温度,所以关键问题是有机泡沫的选择。李飞舟等以PAA-NH4与阿拉伯树胶为分散剂,采用有机泡沫浸渍和凝胶注模工艺制备了不同气孔率的氧化铝陶瓷。探讨了工艺参数对坯体的干燥和烧结状况的影响,以及有机

泡沫的压缩比对多孔陶瓷的气孔率的影响。

（4）溶胶-凝胶法+高温烧结法

溶胶-凝胶法主要是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,形成可控的多孔结构。主要用来制备微孔陶瓷材料,特别是微孔陶瓷薄膜。薛明俊等用Sol-Gel法制备氧化铝多孔陶瓷。AKritikaki等研究了分别将纳米粉以γ-Al2O3粉末和水铝石溶胶两种形式加入微米尺寸的氧化铝粉末中,其弯曲强度和气孔率都得到一定的提高,以溶胶形式成形的多孔氧化铝陶瓷的弯曲强度提高更明显。

（5）阳极氧化法

阳极氧化法是用电化学技术在铝的表面原位生长制备多孔氧化铝膜的一种方法。通过阳极氧化制备的氧化铝膜是多孔状的、具有六角柱状膜孔结构的膜。刘东阳等采用阳极氧化法制备多孔氧化铝陶瓷膜,研究了电流密度、氧化时间和电解液对铝表面原位生长多孔氧化铝膜的影响。当电流密度增大时,电解液对膜层的浸蚀溶解程度加重,电解液进入氧化膜内,会导致孔洞的产生;在较小的电流密度下膜层中基本无孔洞产生。随氧化时间延长,则会使膜层中本已存在的孔洞尺寸进一步增大,进而孔洞数量下降。

（6）造孔剂成孔+挤压成形+高温烧结法