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一文了解泡沫陶瓷及其应用
2018月10月24日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:165
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泡沫陶瓷是具有高比面积、高气孔率、低密度、低热传导系数,对液体和气体介质有选择透过性并具有能量吸收和阻尼特性等优异性能的新型材料,且孔道呈互相连接的迷宫式三维网状结构的多孔体,在熔融金属、气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、吸声减震、高级保温材料、生物材料、特种墙体材料和传感器材料等方面作用显著,广泛应用于环保、能源、化工、生物等领域。

 

一、泡沫陶瓷概述

泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代,是一种具有高温特性的多孔材料。其孔径从纳米级到微米级不等,气孔率在20%~95%之间,使用温度为常温~1600℃。

1)按孔隙之间关系,泡沫陶瓷可分为:闭口气孔和开口气孔。

闭口气孔:指陶瓷材料内部微孔允布在连续的陶瓷基体中,孔与孔之间相互隔离。

开口气孔:包括材料内部孔与孔之间相互连通和一边开口、另一边闭口形成不连通气孔两种。

2)泡沫陶瓷按材质可分为以下几种:

硅藻土质材料:主要以精选硅藻土为原料,加粘土烧结而成,用于精滤水和酸性介质中。

 

1  硅藻土质泡沫材料

 

铝硅酸盐材料:以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线石和合成莫来石质颗粒为骨料。具有耐酸性和耐弱碱性,使用温度达1000℃。

高硅质硅酸盐材料。主要以硬质瓷渣、耐酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料生产,具有耐水性和耐酸性,使用温度达700℃。

陶质材料:组成接近高硅质硅酸盐材料,是一种主要以多种粘土熟料颗粒与粘土等混合而得到的微孔陶瓷材料。

刚玉和金刚砂材料:以不同型号的电熔刚玉和碳化硅颗粒为骨料,具有耐强酸、耐高温特性,耐高温可达1600℃。

氧化锆材料:基本材质是氧化锆ZrO2,具有高的强度和高温冲击力,耐热温度高于1700℃。

 

2  氧化锆泡沫陶瓷过滤片

 

二、泡沫陶瓷制备工艺

泡沫陶瓷制备工艺主要有有机(聚合物)泡沫浸演工艺、发泡工艺、添加造孔剂工艺、溶胶-凝胶工艺、自蔓延高温合成工艺、凝胶注模工艺。

 

1、有机(聚合物)泡沫浸演工艺

有机泡沫浸演工艺是用有机泡沫浸渍陶瓷料浆,干燥后烧掉有机泡沫,获得泡沫陶瓷的一种方法。其独特之处在于它凭借了有机泡沫所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构,将制备好的料浆均匀地涂覆在有机泡沫网状体上,而烧掉有机泡沫后获得的孔隙是网络状的。目前,最常用的有机泡沫材质是聚氨基甲酸乙脂。

这种制备方法的关键在于有机泡沫的选择,主要要求包括:有机泡沫孔径、泡沫有亲水性和恢复力等,具体如下:

1)有机泡沫孔径:它在很大程度上决定了最终制成品泡沫陶瓷孔径的大小。

2)泡沫亲水性和恢复力:需具有一定的亲属性和足够的恢复力,能够与陶瓷材料牢固地吸附,且保证挤出多余料浆后能迅速地恢复形状。

3)烧失性:有机泡沫材料须能在低温下烧失,这样可减少热应力,防止制品开裂。

有机泡沫浸演工艺优点是制备的泡沫陶瓷的孔隙网络状结构。

 

2、发泡工艺

发泡工艺是陶瓷组分添加有机或无机化学物质通过化学反应等产生挥发性气体产生泡沫经干燥和烧结制成泡沫陶瓷。

 

3  发泡工艺流程图

 

该工艺优点是可以制备出形状复杂的泡沫陶瓷制品,以满足一些特殊场合的应用缺点是发泡反应法成型泡沫陶瓷工艺较复杂,不易控制。

 

3、添加造孔剂工艺

添加造孔剂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。

 

造孔剂的种类有无机和有机两类无机造孔剂主要是:碳酸按、碳酸氢钱等高温可分解的盐类以及煤粉、碳粉等。有机造孔剂主要是天然纤维、高分子聚合物和有机酸等。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。其成型方法主要有模压、挤压、等静压、轧制、注射和粉浆浇注等。

 

添加造孔剂工艺优点是:可以制得形状复杂、气孔结构各异的材料,缺点是:气孔分布的均匀性较差。

 

4、溶胶-凝胶工艺

溶胶-凝胶工艺主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料,同时也可以制备高规整度泡沫陶瓷材料。溶胶-凝胶技术制备泡沫陶瓷材料,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。

 

该工艺优点是:可以制备孔径在纳米级、气孔分布均匀的泡沫陶瓷薄膜。

 

5、自蔓延高温合成工艺

自蔓延高温合成工艺SHS)是利用化学自放热反应产生的高温在几秒或几十秒内即可完成材料的合成最大限度地利用材料合成中的化学能节约能源。SHS反应产物通常具有很高的孔隙率利用这一特点来制备具有多孔连续网络结构的陶瓷材料而且通过添加造孔剂可进一步提高产物的连通开放孔隙率。

 

自蔓延高温合成工艺优点是可以制备各方面性能优异的泡沫陶瓷材料,且高效、节能。缺点是反应速度快,过程不易控制。

 

6、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。它是一种被广泛应用的新型成形方法。这种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作用从而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形状的坯体,从而显著提高材料的可靠性。工艺可以使悬浮体泡沫化且能使液体泡沫原位聚合固化。

 

该工艺优点是:作为制备泡沫陶瓷的一种新型方法,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。

 

三、泡沫陶瓷应用

1、催化剂载体材料

泡沫陶瓷具有高比表面性使其作为催化剂载体可以增加有效接触面积增强催化效果且其具有耐热、不污染、不易中毒、成本低廉等优点,已广泛应用于汽车尾气化工领域处理有毒、恶臭等有害气体,进一步保护环境。

 

4  泡沫陶瓷作为催化剂载体应用于汽车尾气处理

 

2、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。

 

例如由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖,其材质有ZrO2、SiC、Si3N4和镁质材料等,使用温度高达1600℃。目前,世界上最好的隔热材料正是这类材料,称之为“超级绝热材料”,被应用于航天飞机外壳的隔热等。


 

5  泡沫陶瓷作为隔热材料应用于航天航空

 

3、燃烧器

目前,泡沫陶瓷材料又一个用途是作为多孔介质燃烧器。因其通过陶瓷材料提供的良好热交换降低了火焰温度,故在惰性多孔陶瓷表面内或在接近多孔陶瓷表面处进行各种燃料的预混合燃烧,从而节省了能量,并显著降低了COx 、NOx 排放。

 

6  泡沫陶瓷材料应用于多孔介质燃烧器

 

4、吸声材料

泡沫陶瓷具有大量三维空间网络结构的孔隙。声波传入多孔体内部后,引起孔隙中的空气产生振动并使陶瓷筋络发生摩擦。由于粘滞作用,声波转变为热量而消失,从而达到吸收声音的效果。

 

5、生物材料

目前研究正正致力于生物材料—多孔羟基磷灰石生物泡沫陶瓷的研究。多孔羟基磷灰石陶瓷与人体骨骼、牙齿无机质的成分极为相似,对人体无毒,具有极好的生物相容性和生物活性,而且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。

 

7  多孔羟基磷灰石生物泡沫陶瓷应用于人体骨骼

 

参考文献:

1、庆祝,泡沫陶瓷及其应用,《佛山陶瓷》。

2、杨秋婷,史阳,泡沫陶瓷的研究现状和发展前景,《陶瓷》。

 

作者:乐心

 


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