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

2009年 第 1 期中 国 陶 瓷

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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]