【技术】多孔陶瓷的制备方法及应用浅析(上)

什么是多孔陶瓷材料？

多孔陶瓷材料是一类重要的陶瓷材料，由于其特有的三维多孔结构使其具有高孔隙率、良好的化学稳定性、小体积密度及低导热性等特点，从而被广泛应用于众多领域。

多孔陶瓷的种类很多，按孔隙形态可以分为三类：

粒状陶瓷烧结体

泡沫陶瓷

蜂窝陶瓷

按孔径大小分类可分为三类：

微孔陶瓷(孔径小于2nm)

介孔陶瓷(孔径介于2~50nm)

宏孔陶瓷(孔径大于50nm)

多孔陶瓷的特点以及应用

多孔陶瓷由于均匀分布的微孔和孔洞、孔隙率较高、体积密度小，还具有发达的比表面，陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀、高的化学和尺寸稳定性，使多孔材料可以在气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、吸声减震、保温材料、生物殖入材料，特种墙体材料和传感器材料等方面得到广泛的应用。

因此，多孔陶瓷材料及其制备技术受到广泛关注。

挤压是一种塑性变形工艺，可分为热挤压和冷挤压。一般是在压力机上完成，使工件产生塑性变形，达到所需形状的一种工艺方法。其过程是将制备好的泥条通过一种预先设计好的具有蜂窝网格结构的模具挤出成形，经过烧结后就可以得到典型的多孔陶瓷。

现在用于汽车尾气净化的蜂窝状陶瓷，它是将制备好的泥条通过一种预先设计好的具有蜂窝网格结构的模具挤出成型，经过烧结后得到典型的多孔陶瓷。

这种工艺的优点在于，可根据实际需要对孔形状和大小进行精确设计;缺点是不能成型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。

颗粒堆积工艺是在骨料中加入相同组分的微细颗粒，利用微细颗粒易于烧结的特点，在高温下液化，从而使骨料连接起来。

骨料粒径越大，形成的多孔陶瓷平均孔径就越大，并呈线性关系。骨料颗粒尺寸越均匀，产生的气孔分布也越均匀，孔径分布也越小。

另外，添加剂的含量和种类，以及烧成温度对微孔体的分布和孔径大小也有直接关系。这种工艺主要优点在于工艺简单，制备强度高;不足之处在于气孔率低。

该工艺是通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用这些造孔剂在坯体中占据一定的空间，高温燃尽或挥发后在陶瓷体中留下孔隙。利用这种工艺可以制备形状复杂、气孔结构各异的多孔陶瓷制品。

该工艺与普通的陶瓷相比，关键在于造孔剂的种类和选择，其次是粒径的大小。造孔剂可以分为有机和无机两类。

添加造孔剂法工艺的优点在于:

气孔率的大小和气孔形状可以调节;工艺简单;

不足之处在于:

气孔分布均匀性差，不适合制取气孔率高的制品。

发泡工艺是向陶瓷组分中添加有机或无机化学物质，在加热处理期间形成挥发性的气体，制备出各种孔径大小和形状的泡沫陶瓷，使用该方法干燥和烧结可以制成网眼型和泡沫型两种多孔陶瓷。

发泡工艺法更易控制制品的形状、成分和密度，特别适合用于闭孔陶瓷制品的生产。

溶胶-凝胶方法可以制备纳米级的微孔陶瓷，它是利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理过程中留下小气孔，形成可控的多孔材料。

基本过程是将金属醇盐溶于低级醇中，缓慢地滴入水进行水解反应，得到相应金属氧化物的溶胶，调节该溶胶的pH值，纳米级的金属氧化物颗粒就会产生聚集。溶胶-凝胶法主要用来制备微孔陶瓷材料，特别是微孔陶瓷薄膜。

该工艺制得多孔陶瓷孔径分布范围极为狭窄，其孔径大小可通过溶液组成和热处理过程的调节来控制，是目前最陶瓷滤膜的主要生产工艺。

冷冻干燥技术可以制备具有复杂孔洞结构的多孔陶瓷。

当陶瓷浆料冷冻凝固时，同时控制晶体冰的生长方向；

在低压的条件下进行干燥处理，此时冰升华直接变成气体；

再将所得的坯体进行烧结。

从而得到具有内部孔洞定向排列的多孔陶瓷。通过控制起始浆料浓度和烧结时间可以控制孔的结构。

由于该工艺成型过程中不使用有机物造孔剂，不产生污染，具有环境友好性，在当今可持续发展的经济环境下具有良好的应用前景。

未完待续....

粉体圈作者：敬之