多孔陶瓷的制備方法、性能表征和建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

黃立斌 梁婉興 徐曉燕

（廣州質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院）

多孔陶瓷的制備方法、性能表征和建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

黃立斌 梁婉興 徐曉燕

（廣州質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院）

多孔陶瓷不僅具有傳統(tǒng)陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，還有較低的導(dǎo)熱能力，具有良好的保溫特性。本文介紹了多孔陶瓷的主要制備方法、性能表征和在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

多孔陶瓷；建筑節(jié)能；保溫

1 前言

多孔陶瓷發(fā)展始于19世紀(jì)70年代，是一種內(nèi)部含有大量不同尺寸和形態(tài)孔洞的無機(jī)材料。它是由各種顆粒料與結(jié)合劑組成的坯料，經(jīng)過成型、燒成等許多復(fù)雜的工藝制得的。多孔陶瓷不僅具有傳統(tǒng)陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因其具有大量的氣孔，比表面積大，密度低，可調(diào)的孔徑分布已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、機(jī)械、冶金、化工、環(huán)保、軍工、電子、生物和醫(yī)學(xué)等多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。由于其應(yīng)用范圍廣而引起科學(xué)界極大的關(guān)注。多孔陶瓷根據(jù)氣孔尺寸可分為微孔材料（＜2nm），介孔材料（2～50nm），宏孔材料（＞50nm），其氣孔率最大可達(dá)90%［1］。

2 多孔陶瓷的制備方法

2.1 有機(jī)泡沫浸漬工藝

有機(jī)泡沫浸漬工藝是用有機(jī)泡沫浸漬陶瓷料漿，干燥后燒掉有機(jī)泡沫，從而使陶瓷產(chǎn)生孔洞。有機(jī)泡沫體具有開孔三維網(wǎng)狀骨架的特殊結(jié)構(gòu)。因此燒掉有機(jī)泡沫后獲得的孔隙是網(wǎng)眼型的。該法適于制備高氣孔率、開口氣孔的多孔陶瓷。有機(jī)泡沫材料的孔徑大小和漿料在其上的覆厚度［2］對(duì)最后制品的孔徑尺寸起著決定性的作用。

2.2 發(fā)泡工藝

發(fā)泡工藝是在1973年被Sundermann等［3］發(fā)明。原理是在陶瓷組分中加入有機(jī)物或無機(jī)質(zhì)，在燒成階段該物質(zhì)會(huì)通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，從而形成孔洞，制成多孔陶瓷。該法特別適用于制備閉氣孔的陶瓷材料。發(fā)泡法可以更好地控制氣孔的尺寸和形狀，使制品具有更好的可控性。

2.3 添加造孔劑工藝

在陶瓷配料中加入造孔劑，造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間。在燒成階段，造孔劑受到高溫的作用形成氣體揮發(fā)而在制品中留下氣孔。與傳統(tǒng)的陶瓷工藝相比，此工藝只是在陶瓷配料中多加入造孔劑，制造工藝沒有很大改變，適用于低成本的企業(yè)選用。造孔劑種類和加入量［4］對(duì)多孔陶瓷的孔徑分布和氣孔率起著決定性的作用。

2.4 溶膠-凝膠工藝

溶膠-凝膠工藝主要利用凝膠化過程中膠體粒子的堆積以及凝膠處理、熱處理等過程中留下小氣孔，形成可控多孔結(jié)構(gòu)。這種方法大多數(shù)產(chǎn)生納米級(jí)氣孔，多用來生產(chǎn)微孔陶瓷。但此法采用大量的有機(jī)物，成本高，產(chǎn)量低［5］，不利于工業(yè)化大規(guī)模的生產(chǎn)。

2.5 顆粒堆積工藝

憑借骨料顆粒按一定堆積方式可以形成的顆粒空隙。在燒結(jié)過程中，粘合劑在高溫下產(chǎn)生液相，使陶瓷顆粒相互接觸的部分被燒結(jié)在一起，顆粒間的空隙形成相互貫通的微孔。通過控制骨料的粒徑和粒徑分布，便可以獲得孔徑為0.1～600μm的微孔陶瓷。骨料顆粒的形狀、粒徑、粒徑分布、各種添加劑的含量和燒成制度［6］對(duì)微孔體的孔徑分布和孔徑大小有直接影響。

2.6 新型制備工藝

多孔陶瓷要適應(yīng)人們更高的要求，制備工藝就必須不斷地創(chuàng)新和發(fā)展。因此，出現(xiàn)了冷凍干燥工藝、梯度構(gòu)造工藝、生物形態(tài)多孔陶瓷［7］等新型的制備工藝。其中，生物形態(tài)多孔陶瓷制備工藝的原理是利用生物材料為模板制備獨(dú)具特殊孔隙結(jié)構(gòu)的遺態(tài)材料，再利用遺態(tài)材料制成多孔材料。生物材料具有多樣性，多維多層次孔隙結(jié)構(gòu)。而由該工藝制得的多孔材料也具有結(jié)構(gòu)多樣性，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

3 多孔陶瓷的性能表征

3.1 氣孔率

多孔陶瓷的重要特征是具有較多的均勻可控的氣孔。氣孔有開口氣孔和閉口氣孔之分，顯氣孔率［8］是指開口氣孔（指與大氣相通的氣孔）的體積與試樣總體積的百分率。開口氣孔具有過濾、吸收、吸附、消除回聲等作用，而閉口氣孔則有利于阻隔熱量、聲音以及液體與固體微粒傳遞。

3.2 孔徑和孔徑分布

孔徑和孔徑分布是多孔陶瓷一個(gè)極其重要的性質(zhì)，孔徑的大小和分布直接影響到其他一系列的性能。因此在選擇多孔陶瓷時(shí)，孔徑的大小和分布是必須要考慮的一個(gè)重要因素。測(cè)定多孔陶瓷孔徑和孔徑分布的方法有顯微法、蒸汽滲透法和氣體泡壓法［9］等。隨著孔徑的減小，氣孔中的對(duì)流傳熱會(huì)降低，能起到更好的隔熱效果［10］。

3.3 力學(xué)性能

應(yīng)用多孔材料時(shí)大多要求滿足一定的力學(xué)性能，這些力學(xué)性能參數(shù)主要包括抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度［11］。多孔陶瓷材料一般由金屬氧化物、二氧化硅、碳化硅等經(jīng)過高溫煅燒而成，這些材料本身具有較高的強(qiáng)度，煅燒過程中原料顆粒邊界部分發(fā)生融化而粘結(jié)，形成了具有較高強(qiáng)度的陶瓷。但由于氣孔的存在會(huì)明顯降低陶瓷的力學(xué)性能。氣孔的分布、氣孔大小、氣孔率都會(huì)對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生影響，隨著氣孔率的增加，多孔陶瓷的力學(xué)性能會(huì)急劇下降。

3.4 隔熱性能

多孔質(zhì)隔熱材料有效熱導(dǎo)率公式［12］為：Ke=（1-P）Ks+PKg+4dσT3。根據(jù)公式可以看出，隨著氣孔率的增加，氣孔的尺寸的減少，材料導(dǎo)熱能力越差，隔熱性能越好。但隨著孔隙率的增加，陶瓷力學(xué)性能會(huì)急劇的下降。因此在選擇多孔陶瓷時(shí)，必須考慮兩者的平衡，達(dá)到最好的效果。

4 多孔陶瓷在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

建筑物隔熱保溫是節(jié)約能源、改善居住環(huán)境和使用功能的一個(gè)重要方面。建筑能耗在人類整個(gè)能源消耗中所占比例在30%～40%，絕大部分是采暖和空調(diào)的能耗，故建筑節(jié)能意義重大。多孔陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠非常有效地減少熱量的散失，并且耐久性好，與水泥砂漿、混凝土等相容性好，吸水率低，耐候性好，施工工序少［13］。因此多孔陶瓷是一種良好的建筑節(jié)能材料。

由于閉孔能夠很好地阻礙氣體間的對(duì)流換熱，使得材料的傳熱更加困難。在相同氣孔率的情況下，閉孔型多孔陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)比開孔型小。因此，發(fā)泡工藝作為有效的閉孔型多孔陶瓷的制備方法被廣泛用于建筑節(jié)能保溫多孔陶瓷的生產(chǎn)。因此在建筑節(jié)能領(lǐng)域，科學(xué)家們主要是針對(duì)發(fā)泡工藝進(jìn)行研究。

多孔陶瓷的氣孔率已經(jīng)相當(dāng)高，增大氣孔率對(duì)多孔陶瓷的節(jié)能性能已經(jīng)影響不大。研究重點(diǎn)更多的是關(guān)注在生產(chǎn)方面。在原料方面，由于國家的礦產(chǎn)等資源的日漸減少，陶瓷原料的不斷減少，造成了陶瓷成本的大大增加。如馬龍等人［14］對(duì)采用工業(yè)廢渣赤泥生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷進(jìn)行了試驗(yàn)。在孔徑尺寸和分布方面，目前對(duì)孔徑尺寸和分布的控制主要手段有兩個(gè)：一是通過選擇不同的發(fā)泡劑或者改變發(fā)泡劑的加入量進(jìn)行控制。吳麗娜等人［15］對(duì)發(fā)泡劑的種類和特性進(jìn)行全面的分類和歸納；二是通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)更精密的控制，減低生產(chǎn)過程中的不確定性。

5 結(jié)語

多孔陶瓷的傳統(tǒng)制備方法已經(jīng)較為成熟，新方法也在不斷拓展，為其技術(shù)發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)，其性能表征也已經(jīng)面面俱到。這對(duì)其性能提供專業(yè)的評(píng)價(jià)。但在建筑領(lǐng)域，科研技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)的比率較低，生產(chǎn)工藝單一。未來需要以科研技術(shù)作為基礎(chǔ)，加大生產(chǎn)能力的投入，這樣才能讓人們體會(huì)到多孔陶瓷帶給生活的改變?！?/p>

［1］王圣威，金宗哲，黃麗容.多孔陶瓷材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.硅酸鹽通報(bào)，2006，25（4）:124-129.

［2］時(shí)利民，趙宏生，閆迎輝，唐春和.開孔多孔陶瓷的制備技術(shù)［J］.材料工程，2005，12:57-61.

［3］Sundermann E，Viedt J.Method of manufacturing ceramic foam bodies［J］.US Pat，No.3745201，1973-07-10.

［4］朱小龍，蘇雪筠.多孔陶瓷材料［J］.中國陶瓷，2000，36（4）: 36-39.

［5］張智慧，李楠.多孔陶瓷材料制備方法 ［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2003，17（7）:30-31.

［6］朱新文，江東亮，譚壽洪.多孔陶瓷的制備、性能及應(yīng)用:（Ⅰ）多孔陶瓷的制造工藝［J］.陶瓷學(xué)報(bào)，2003，24（1）:40-45.

［7］賀辛亥，王俊勃，蘇曉磊，秦輝，楊敏鴿，申明乾.生物形態(tài)多孔陶瓷的研究進(jìn)展［J］.硅酸鹽通報(bào)，2011，30（1）:105-110.

［8］羅民華，曾令可.多孔陶瓷的表征和性能測(cè)試技術(shù)（下）［J］.佛山陶瓷，2004，2:3-6.

［9］羅民華，曾令可.多孔陶瓷的表征和性能測(cè)試技術(shù)（上）［J］.佛山陶瓷，2004，1:5-9.

［10］吳朝齊.隔熱保溫多孔陶瓷材料性能研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2012，1-54.

［11］梁永仁，張露，崔樹茂，楊志懋，丁秉鈞.多孔材料表征與性能測(cè)試［J］.材料導(dǎo)報(bào)網(wǎng)刊，2006，2:56-59.

［12］羅森諾W M.傳熱學(xué)基礎(chǔ)手冊(cè) ［M］.科學(xué)出版社，1992.304-341.

［13］邵國新，吳志，張?jiān)?發(fā)泡陶瓷保溫板外保溫系統(tǒng)建筑應(yīng)用與質(zhì)量控制［J］.建筑節(jié)能，2010，11:57-61.

［14］馬龍，李國忠，姜蔥蔥.用赤泥生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷保溫材料的試驗(yàn)室初探［J］.建筑砌塊與砌塊建筑，2013，1:45-47.

［15］吳麗娜，黃玉東，王志江，劉麗.發(fā)泡工藝制備多孔陶瓷研究進(jìn)展［J］.中國陶瓷，2010，46（3）:5-8.