泡沫陶瓷的制备方法及应用

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│中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2009(45)第 1 期【摘 要】:泡沫陶瓷具有气孔率高、耐高温、抗化学
腐蚀、热稳定性好等优良性能，被广泛用作金属液过滤器、高温气体和离子交换过滤器、催化剂载体等方面。

介绍了泡沫陶瓷的制备方法，以及不同方法制备泡沫陶瓷的特点；并列举了泡沫陶瓷在过滤器、催化剂载体、节能隔热材料、吸声材料和生物材料等方面的应用；最后指出了当前泡沫陶瓷的研究热点和今后发展需要解决的问题。

【关键词】:泡沫陶瓷,气孔率,过滤,制备方法中图分类号:TQ174.75+8 文献标识码:A
引 言
泡沫陶瓷是一种造型上象泡沫状的多孔陶瓷，它是继普通多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后发展起来的第三代多孔陶瓷制品[1, 2]。

这种高技术陶瓷具有三维连通孔道，同时对其形状、孔尺寸、渗透性、表面积及化学性能均可进行适度调整变化，制品就像是“被钢化了的泡沫塑料”或“被瓷化了的海绵体”[3]。

作为一种新型的无机非金属过滤材料，泡沫陶瓷具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点。

与传统的过滤器如陶瓷颗粒烧结体，玻璃纤维布相比，不仅制备工艺简单，节约能源，成本低，而且过滤效果较好。

泡沫陶瓷可以广泛地应用于冶金、化工、轻工、食品、环保、节能等领域。

近年来，泡沫陶瓷的应用领域又扩展到航空领域、电子领域、医用材料领域及生物化学等领域[4]。

日本、德国及美国等工业发达国家早在20世纪70年代就已经开始了泡沫陶瓷的研制工作，并相继在汽车尾气、冶金工业熔融金属夹杂质过滤及催化剂载体等方面获得了应用，取得了非常好的效益。

我国也在20世纪80年代中期开始了泡沫陶瓷的研制工作，先后有近几十家科研机构采用多种制备工艺对泡沫陶瓷的制备进行了探索研究，研制的泡沫陶瓷在高温熔融金属、汽车尾气净化等领域达到了实用化技术水平[5]。

但是从总体上看，
我国研制的泡沫陶瓷制品的种类和质量与发达国家相比仍有相当大的差距。

本文主要介绍了泡沫陶瓷的制备方法，以及不同制备方法泡沫陶瓷材料的特点，并列举了泡沫陶瓷在过滤器、催化剂载体、节能隔热材料、吸声材料和生物材料等方面的应用。

最后指出了当前泡沫陶瓷的研究热点和今后发展需要解决的问题。

1 泡沫陶瓷的制备工艺
1.1 传统的制备工艺
泡沫陶瓷的制备工艺很多，其中应用比较成功且开发年代较早的有：添加造孔剂工艺、发泡工艺、有机前驱体浸渍工艺、Sol-Gel 工艺、固态颗粒烧结工艺等[6]。

1.1.1 添加造孔剂工艺
此工艺是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[7]。

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。

其成形方法主要有模压、挤压、等静压、注射和粉料浇注等。

该工艺可制成形状复杂及各种气孔结构的泡沫陶瓷制品，但缺点是气孔尺寸分布的可控性差、气孔率低。

1.1.2 有机前驱体浸渍工艺
目前泡沫陶瓷最理想的制备方法是有机前驱体浸渍法，用此种成形方法制备的泡沫陶瓷己在多个领域获得大量应用。

该方法通过控制浆料性能，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。

但是有机前驱体浸渍法工艺存在一个明显的缺陷，即制品的孔隙结构尤其是孔径取决于所选有机泡沫体的孔隙结构和孔径大小。

而目前所供选用的有机泡沫体的网眼尺寸是有限的，这在一定程度上制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径和结构[8]。

该工艺能制备出高强度、高气孔率的制品，但不能制造小孔径闭气孔制品，而且形状受限制，密度不易控制。

为保证制品质量，选用泡沫的的气化温度要低于陶瓷体的烧结温度，而且不
会污染陶瓷体。

泡沫要有一定的亲水性和足够的回弹性，能与陶瓷浆料紧密结合，能保证多余的浆料挤出后还能恢复原来的形状[9]。

1.1.3 发泡工艺
该工艺是在陶瓷组分中加入有机或无机化学物质，通过化学反应等产生挥发气体，干燥后烧制成多孔陶瓷
泡沫陶瓷的制备方法及应用
陈军超1，任凤章1, 2，马战红1，李锋军3，赵士阳1
(1河南科技大学材料科学与工程学院， 洛阳 471003；
2河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室, 洛阳 471003；
3中国一拖集团有限公司， 洛阳 471004)
收稿日期:2008-9-23
项目来源：河南省高校科技创新人才支持计划项目,编号:2009HASTIT023，河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目,编号:2005-461
作者介绍：陈军超（1985－），男，河南尉氏人，硕士研究生，主要从事多孔陶瓷的研究。

E-mail: chao0312219@
综述与评述
文章编号：1001-9642（2009）01-0008-05
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体。

用作发泡的化学物质主要有：碳化钙、氢氧化钙、铝粉、硫酸铝、双氧水；由亲水性聚氨酯塑料和陶瓷浆料同时发泡制作泡沫陶瓷；用硫化物和硫酸盐混合发泡剂等[10]。

采用发泡工艺制作泡沫陶瓷的优点是容易控制制品的形状、成分和密度，特别是适合于闭气孔陶瓷材料的制造，但是此方法成型泡沫陶瓷工艺较复杂，不易控制，且制备的泡沫陶瓷易出现粉化剥落现象并含有大量闭气孔，因而在实际制备中较少被采用。

1.1.4 溶胶-凝胶工艺
溶胶-凝胶法主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料。

同时该方法经改进后也可以制备高规整度泡沫陶瓷材料。

运用溶胶凝胶技术制备泡沫材料，在溶胶向凝胶的转化过程中，体系的粘度迅速增加，从而稳定了前期产生的气泡，有利于发泡[11]。

该工艺与其他工艺相比有其独特之处，它可以制备孔径在纳米级、气孔分布均匀的泡沫陶瓷薄膜，但该工艺的缺点是制品形状受到一定限制。

1.1.5 固相烧结工艺[12]
固相烧结工艺利用微细颗粒易于烧结的特点，在骨料中加入相同组分的微细颗粒，在一定的温度下微细颗粒通过蒸发和迁移，在大颗粒连接部烧结，从而将大颗粒连接起来。

由于每一粒骨料仅在几个点上与其他颗粒发生连接，因而在烧结体中形成大量的三维贯通孔道。

1.1.6 挤出成型工艺
挤出成型工艺是制造具有蜂窝状多孔陶瓷（即蜂窝陶瓷）的最普遍采用的方法之一。

该工艺的流程为：原料合成→混练→挤出成型→干燥→烧成→成品。

该工艺制成的多孔陶瓷体气孔尺寸、形状和孔隙率均匀，适宜批量生产，但难以制造小孔径制品是这项工艺的缺陷[13]。

在在生产过程中，核心工序之一是挤出成型，同时挤出
成型模具又是挤出成型的核心技术。

该类工艺的优点在于可以根据需要对孔形状和孔大小进行精确设计，其缺点是不能成形复杂孔道结构和孔尺寸较小的材料，同时对挤出物料的塑性有较高要求[14]。

表1列出了几种工艺方法的特点及应用情况。

1.2制备工艺的新进展
1.2.1 颗粒堆积成孔工艺
依靠粗颗粒堆积，颗粒结合部形成多孔结构。

粗的颗粒靠细粒熔化粘合，也可以加入易熔的粘结剂结合。

这种工艺可通过调整颗粒级配对孔结构进行控制，制品的孔隙率一般为20%～30%左右，在原料中加入碳粉、木屑、淀粉等成孔剂，高温下使其挥发可将整体孔隙率提高至75%左右[16]。

1.2.2 冷冻干燥工艺
这种基于冷冻原理的独特的陶瓷制备工艺可以制备具有复杂孔结构的多孔陶瓷。

其原理是在陶瓷料浆冷冻的同时，控制晶体冰单向生长，在低压条件下进行干燥处理，此时溶剂冰升华而排出，坯体中形成定向排布的孔结构，之后进行烧结。

该工艺的特点是坯体烧成收缩小、烧成控制简单、孔结构可设计性强、制品机械强度相对较好。

Takayukki Fukasawa 等[17]以水为溶剂，制备出同时含有宏观气孔和微观气孔的复合孔结构氧化铝陶瓷，制备过程中对环境不产生污染，显示出良好的环境友好性。

该工艺也可用于制备其他多孔材料，具有广阔的发展前景。

1.2.3 孔梯度制备方法[18]
孔梯度陶瓷是指孔径随厚度作有规律地缩小或增大的陶瓷材料，按孔的分布状况可分为连续孔梯度陶瓷和阶梯状孔梯度陶瓷。

孔梯度多孔陶瓷的制备方法主要有
致孔剂梯度排列法、有机前驱体浸渍法以及沉淀生成法
表1 几种泡沫陶瓷制备工艺的比较[15]
Table1 The contrast of several foam ceramics fabrication methods [15]
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等。

致孔剂梯度排列法是将混有不同粒径致孔剂的骨料按致孔剂粒径从大到小的顺序一层一层的平铺在模具内，经过压制成型、干燥和烧成而制得孔梯度多孔陶瓷。

有机前驱体浸渍法是将不同孔径的有机前驱体分别浸入陶瓷浆料中，然后按孔径从大到小的顺序叠放在一起，经干燥烧成即可得到孔梯度多孔陶瓷。

沉淀生成法是将改性的不同粒度的致孔剂粉末置人同一陶瓷浆料中，会出现共同沉淀，由于不同粒度致孔剂的沉淀速率不同，可以获得不同粒度的致孔剂组分连续变化的沉积层，经干燥、成型、烧结即可获得具有孔梯度的多孔陶瓷。

最近，出现了利用离心烧结技术制备孔梯度多孔陶瓷的报道它是利用离心力使孔梯度沿径向线性变化。

1.2.4 凝胶注模工艺
美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺(Gel-Casting)[19]，它是一种被广泛应用的新型成形方法。

这种新的成形技术采用非孔模具，利用料浆内部或少量添加剂的化学反应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。

Gel-Casting 工艺可以使悬浮体泡沫化，而且能使液体泡沫原位聚合固化。

作为制备多孔陶瓷的一种新方法，悬浮体泡沫化是最经济的，原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构且强度较高。

1.2.5 自蔓延高温合成工艺
自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis，SHS)方法的概念是由前苏联科学家A．G．Mazhanov 在1967年首先提出来的
[20]
，
SHS 的本质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(点火)，诱发体系局部产生化学反应，此后，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(反应)波蔓延到整个体系，从而制备出所需的陶瓷材料。

材料的SHS 技术以其高效、节能、经济和所得材料的良好性能特点而倍受瞩目。

另外，SHS 反应产物通常具有很高的孔隙率，用这一特点可用来制备具有多孔连续网络结构的陶瓷材料，通过添加造孔剂可进一步提高产物的连通开放孔隙率
[21]。

因为自蔓延反应速度很快，在如此短的反应时间内使产物达到完全烧结是比较困难的，自蔓延反应后的产物可以附加一个烧结进程，以进一步提高产物的强度
[22]。

另外，还有诸如有机泡沫堆积法、水热-热静压工艺、微波加热工艺、分相滤出法、固-气共晶法、木材热解构架法等多种泡沫陶瓷的制备方法
[23, 25]。

2 泡沫陶瓷的应用
泡沫陶瓷在19世纪70年代发展初期，仅仅作为细菌过滤材料加以使用。

随着制备技术的发展，人们控制材料多孔结构水平显著提高，同时各种新材质高性能泡沫陶瓷材料的不断出现极大地拓宽了多孔陶瓷地应用范围。

2.1过滤器
泡沫陶瓷过滤器由于具有过滤面积大，热震稳定性好、化学稳定性高和良好的抗金属冲刷性能以及过滤效率好的特点，因此在金属熔体过滤净化技术中，作为一种新型高效过滤器，得到了人们的重视。

目前，它们的应用扩大到包括熔模精密铸造、钢铸造工业及工业铸件等方面，以提高铸件的机械性能、降低铸件废品率、提高铸件工艺出品率、延长金属切削加工刀具寿命等。

2.2催化剂载体
泡沫陶瓷具有良好的吸附能力和活性。

被覆催化剂后，反应流体通过泡沫陶瓷孔道，将大大提高转化效率和反应速率。

由于泡沫陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特点，作为汽车尾气催化净化器载体已被广泛使用[26]。

将泡沫陶瓷汽车尾气催化器安装在汽油车排气管中，可以使汽油车排出的CO、NO 有害气体转化成CO 2、H 2O、N 2，转化率可达90%以上；用在柴油车上，碳粒净化率在50%以上。

当泡沫陶瓷滤芯积满碳粒时，可以采用催化氧化法或电控燃烧法再生，达到长期使用的目的。

除了作催化剂载体外，它还可以作为其它功能性载体,例如药剂载体，微晶载体，气体储存等[27]。

2.3 节能隔热材料
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
[28]。

目前，世界上最好的隔热材料正是这类泡沫陶瓷材料，
传统的窑炉和高温电炉的内衬就多为泡沫陶瓷。

它还被广泛用于航天飞机的外壳隔热。

泡沫陶瓷具有巨大的比表面积，在高温条件下，由于热交换面积大，可用作换热材料。

如把泡沫陶瓷体放在加热炉烟道口，炉内高温气体可以通过泡沫陶瓷进入烟道，同时把陶瓷体加热到接近炉内温度。

此时，泡沫陶瓷向炉内辐射热能，减少热能散失。

据有关资料介绍，可节能30%。

另外，作为核工业隔热材料使用，不会因为核辐射而降低隔热性能。

总之，泡沫陶瓷做为隔热和换热材料，节能效果显著。

2.4 吸声材料
由于泡沫陶瓷从表面到内部具有的三维贯通的网状微孔结构，它可以使吸进的声波在孔隙中振动空气，从而与陶瓷体网络发生摩擦，通过粘滞作用使声波转变为热能而消耗，起到静音效果。

泡沫陶瓷具有吸音的功能，可用于隧道、地铁、影剧院、录音室等需要静音的环境，以及高架桥、建筑施工现场、露天变压器等高噪音场合。

由于此类陶瓷可耐气候变化，抗热、抗震和抗腐蚀，能忍受风吹、日晒、雨淋的侵蚀而不改变网状结构，同时，对其表面美化处理后不会影响其吸音效果，因而具有很好的应用前景。

2.5 生物材料
多孔羟基磷灰石生物陶瓷的研究和应用，在生物材料工程界引起极大关注。

这是因为羟基磷灰石陶瓷与人体
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骨骼、牙齿无机质的成分的成分基本相同，将其植入人体后，无排斥反应，具有良好的生物活性和相容性。

它能诱发新骨的生成，使人体保持正常的新陈代谢，是一种理想的人体骨替代材料。

用添加增孔剂等制作泡沫陶瓷的方法，制备多孔羟基磷灰石生物陶瓷，利用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。

国外利用泡沫生物陶瓷修复头盖骨、大腿骨、脊椎骨、人造齿根等临床实验均已获成功[29, 30]。

2.6 燃烧器
泡沫陶瓷材料近来的又一个用途是作为多孔介质燃烧器[31]。

具有良好热交换性的泡沫陶瓷材料可以降低火焰温度，惰性泡沫陶瓷表面内或在接近多孔陶瓷表面处进行预混合燃烧可以节省能量，能显著降低CO 2和NO 2的排放。

同时该种燃烧器可以使用多种燃料，有广泛的适应性。

2.7扩散、渗透和吸附方面的应用[32]
利用电渗透现象，可作为电解法生产双氧水的隔膜，提高电池寿命。

应用泡沫陶瓷作一次电池、二次电池、碱性电池、熔盐电池和嫩料电池的隔膜，可以明显的提高电池的寿命。

用微孔陶瓷可制作土壤盐分、水分测量传感器。

利用泡沫陶瓷均匀分布的气孔，对气焊时回火的氧-乙炔混合可燃气体有阻燃止火作用，可作阻燃止火器。

还可根据气孔对高速高能噪音阻滞、耗损作用制成泡沫陶瓷消声器。

除了上述用途之外，泡沫陶瓷还可以做成传感器，微孔膜[33]，化工塔填料，布气材料，煤气灶节能燃烧板等。

3 问题及展望
泡沫陶瓷的研究与开发已经受到人们的普遍关注，许多应用在技术上已经成为可能。

近年来随着泡沫陶瓷制备工艺和性能等各方面的进展，以及泡沫陶瓷在更广泛领域的应用，取得了巨大的经济和社会效益；同时，在航空航天、军事装备、金属陶瓷复合材料等新的应用领域，对泡沫陶瓷材料的需求更加迫切，并且对其性能提出了更高的要求。

为了更好的利用泡沫陶瓷材料，存在的一些问题我们也绝对不能忽视。

首先，通过优化工艺配方和工艺过程，制备高孔隙率高强泡沫陶瓷材料，提高材料气孔均匀性。

气孔率和孔径是泡沫陶瓷材料的主要微孔性能指标，在满足其它强度的情况下，适当提高材料的气孔率，可以大幅度提高材料的透气性能，降低单位面积材料的流体透过阻力，提高过滤效率。

为此可以通过在泡沫陶瓷基体中引入陶瓷纤维，或通过采用编制陶瓷纤维利用化学气相沉积技术来制备高孔隙率、高强的陶瓷纤维复合泡沫陶瓷材料。

其次，应加强多功能性泡沫陶瓷复合材料的研究。

现有的泡沫陶瓷材料功能单一，尤其用做过滤材料的泡沫陶瓷材料，其过滤机理基本以物理过滤为主，今后若能采用陶瓷材料复合技术或嫁接技术制备一些多功能性
陶瓷材料，如采用纳米抗菌功能材料与微孔制备技术结合，研制开发具抗菌和净化功能的微孔陶瓷材料；采用陶瓷—金属复合技术，制备具有选择吸收、催化功能的泡沫陶瓷材料；采用无机和有机材料复合技术制备其他一些电传导膜、生物反应膜等，这对扩大泡沫陶瓷材料的应用范围有重要意义。

最后，应加大泡沫陶瓷材料的应用技术研究。

目前国内从事泡沫陶瓷材料研究工作者大多数只注重于材料本身性能的研究，而缺乏对材料应用性能的研究。

事实上，泡沫陶瓷的应用技术，包括过滤技术、材料的清洗再生技术、过滤系统的优化等是一门很深的学问，泡沫陶瓷材料推广应用一方面取决于材料本身优良的性能，而另一方面更大程度取决于材料应用技术水平的提高。

因此，要提高我国的泡沫陶瓷材料的产业化水平，就必须加强材料应用性能的研究，建立相应的应用研究平台，并加强企业和研究单位之间的技术交流与合作。

综上所述，要研制各方面性能优良的泡沫陶瓷材料，还需要广大科研工作者和企业共同努力。

总之，在以后的工作中，我们要发挥优势、突出重点，结合目前国内泡沫陶瓷材料发展实际状况和需求，重点开发陶瓷微过滤材料、陶瓷膜过滤材料、高温气体过滤材料及高温气体催化分离材料及装备技术，以满足目前国内能源、化工、环保和水处理行业的需要，提高国内的过滤与分离技术水平。

参 考 文 献
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PREPARATION METHODS AND APPLICATION OF FOAM CERAMICS
Chen Junchao 1, Ren Fengzhang 1, Ma Zhanhong 1, Li Fengjun 2, Zhao Shiyang 1
(1 School of Materials Science and Engineering,
Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003;
2 Henan Key Laboratory of Advanced Non-ferrous Metals, Luoyang 471003;
3 China Yituo Group Limited Corporation, Luoyang 471004)
【Abstract】: Foam ceramics possess a set of attractive properties such as the high porosity, the high temperature resistibility and the chemical corrosion resistibility, the high thermal stability et al, therefore they had been widely used as filter of molten metals, filters of high temperature gases and ion-exchange, catalyst carriers and so on. In this paper, the preparation methods of foam ceramics and their characteristics were introduced in detail. This article enumerated the applications of foam ceramics in filters, catalyst carriers, energy-saving and heat insulation materials, sound absorbent, biomaterials, etc. Finally, the research hotspots of foam ceramics and major problems which need to be resolved were also indicated.
【Keywords】: foam ceramics, porosity, filtration, preparation methods
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