多孔陶瓷材料的制備工藝研究進展

李超 王麗萍(神華準能資源綜合開發(fā)有限公司， 內(nèi)蒙古 薛家灣 010300)

多孔陶瓷材料的制備工藝研究進展

李超 王麗萍(神華準能資源綜合開發(fā)有限公司， 內(nèi)蒙古 薛家灣 010300)

多孔陶瓷是一種新型功能材料，因其物化性質(zhì)優(yōu)異，被廣泛用于眾多領(lǐng)域。本文介紹了多孔陶瓷的分類、性能；著重介紹新型制備方法，如：冷凍干燥、梯度構(gòu)造、溶膠凝膠和放電等離子燒結(jié)工藝，并對陶瓷的研發(fā)方向進行了展望。

多孔陶瓷；制備新工藝

0 引言

多孔陶瓷由骨料、粘結(jié)劑和增孔劑等組分煅燒而成，可利用孔結(jié)構(gòu)與材質(zhì)屬性相結(jié)合達到多功能性陶瓷體。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學聯(lián)合會(IUPAC)命名法，多孔陶瓷一般按孔徑大小分為：微孔陶瓷(孔徑＜2nm)、介孔陶瓷(孔徑為2～50nm)及宏孔陶瓷(孔徑＞50nm)三類[1]。按孔形結(jié)構(gòu)可分為粒狀陶瓷、蜂窩陶瓷和泡沫陶瓷三類[2]，后者有閉孔型、開孔型及半開孔型3種類型；按照基體材質(zhì)可分為，高質(zhì)硅酸鹽類、鋁硅酸鹽類、硅藻土、剛玉、金剛砂、陶質(zhì)、石英玻璃和其它工業(yè)廢料。

多孔陶瓷性能優(yōu)異：

(1)良好的化學穩(wěn)定性；

(2)優(yōu)良的耐熱性能；

(3)優(yōu)異的透過性；40較高的比表面積和可控孔結(jié)構(gòu)；

(5)極低的電導率。

1 多孔陶瓷的制備工藝

1.1 傳統(tǒng)制備工藝

多孔陶瓷的性能與陶瓷基體的物化性能、氣孔形態(tài)、氣孔分布狀態(tài)和體積大小密切相關(guān)。制備工藝技術(shù)是決定陶瓷結(jié)構(gòu)、氣孔形態(tài)和應(yīng)用范圍的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)制備工藝具有工藝流程短、操作周期短、易于工業(yè)化等特點。主要包括：有機泡沫浸漬法、發(fā)泡法、擠壓成型法、添加造孔劑法、顆粒堆積法等。

1.2 新型制備工藝

1.2.1 冷凍干燥工藝

冷凍干燥工藝，原理是將干燥物料在低溫下冷凍至共晶點以下，使物料中的水分變成冰，通過控制冰生長方向來改變孔排列結(jié)構(gòu)，然后在真空下將冰升華為蒸汽而除去，并通過燒結(jié)得到多孔陶瓷。

CaiYaohui等報道了冷凍干燥工藝制備了多孔Si3N4陶瓷，先將質(zhì)量比為19：1的Si3N4與糊精混合均勻，并轉(zhuǎn)移至模具于冷凍干燥機中。當冷凍溫度為-50oC、壓力為2Kpa時，即獲得多孔Si3N4陶瓷前驅(qū)體。研究發(fā)現(xiàn)：焙燒溫度對多孔Si3N4陶瓷物相變化、微觀結(jié)構(gòu)、抗彎強度、介電常數(shù)影響較大。

1.2.2 梯度構(gòu)造工藝

陶瓷中氣孔率按特定方向呈規(guī)律排列的陶瓷稱為氣孔梯度陶瓷，分為階梯氣孔和連續(xù)氣孔兩種。Chen Fei等以a-Si3N4陶瓷粉末為原料、ZrP2O7為粘結(jié)劑、H3PO4為造孔劑，采用噴霧和壓力燒結(jié)技術(shù)成功制備了梯度孔分布的Si3N4陶瓷。料漿先進行預熱，形成粘結(jié)劑及其相鍵和的孔隙度；并改變磷酸的添加量來控制孔結(jié)構(gòu)；再經(jīng)壓力噴涂料漿形成梯度結(jié)構(gòu)。最后經(jīng)1000℃焙燒，獲得孔隙度范圍在20%～70%、呈梯度變化的Si3N4陶瓷。

1.2.3 溶膠凝膠工藝

溶膠-凝膠技術(shù)是利用溶膠在凝膠化過程中膠體粒子堆積交聯(lián)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和凝膠在熱處理過程中留下氣孔的方法來制備陶瓷材料的一種工藝。具有合成溫度低、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)可控度高的特點，可用來制備無裂紋多孔陶瓷膜、微孔陶瓷和泡沫陶瓷。Wang Hui以硝酸鈾酰和鈦化合物為原料，硝酸為催化劑，采用溶膠凝膠技術(shù)，以及后處理(水洗、焙燒、氫還原)等技術(shù)成功制備了鈦摻雜氧化銪燃料陶瓷微球。研究發(fā)現(xiàn)：溫度在1250-1450℃范圍內(nèi)，摻雜TiO2的UO2燃料陶瓷球活化能顯著降低，形成高價態(tài)U4O9化合物，也是晶粒尺寸迅速增長的原因。

1.2.4 放電等離子燒結(jié)工藝

放電等離子燒結(jié)工藝(SPS)是指粉末顆粒之間通入脈沖電流，使其快速生溫而實現(xiàn)燒結(jié)的一種方式，又稱為等離子輔助燒結(jié)和脈沖電流熱壓燒結(jié)。Chen Wei wu等以內(nèi)消旋瀝青碳、Si3N4粉末為原料，Al2O3和Y2O3為燒結(jié)助劑，采用等離子放電燒結(jié)技術(shù)制備了碳化硅陶瓷。結(jié)果表明：壓強為30MPa、焙燒溫度為1900℃、真空下焙燒5min，能夠使碳顆粒完全氣化，形成兩種孔道結(jié)構(gòu)的SiC陶瓷，孔徑尺寸分別為20um和2.1um，分別來源于碳顆粒移除和焙燒剩余的SiC開孔外殼；該方法制備的蜂窩陶瓷，具有孔隙度和孔徑尺寸可控的特點。

2 結(jié)論與展望

近年來，隨著多孔陶瓷材料制備方法的完善，多孔陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬，但存在工藝復雜、成本高和規(guī)?；a(chǎn)低的問題。因此，在陶瓷研究方面應(yīng)關(guān)注以下幾點：

(1)制備工藝探索或改進。具有高效、無污染，結(jié)構(gòu)和性能精確可控的工藝技術(shù)將是研究的重點。

(2)陶瓷本身的結(jié)構(gòu)和性能完善。多功能復合陶瓷材料將成為廣大學者的研究重點。

(3)陶瓷再生技術(shù)。陶瓷再生問題是一個難題，低成本可重復利用是今后的發(fā)展方向。

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

[2]馬文，沈衛(wèi)平，董紅英，等.多孔陶瓷的制造工藝及進展[J].粉末冶金技術(shù).2002，20(6):365-368.