中國(guó)粉體網(wǎng)訊

多孔陶瓷，顧名思義，就是一類包含大量孔隙的陶瓷材料。上世紀(jì)70年代多孔陶瓷開始發(fā)展。

多孔SiC陶瓷在滿足多孔隙的基礎(chǔ)上，還具備體積密度大、比表面積大、硬度大、耐腐蝕、耐高溫、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低和抗熱震等SiC自身的優(yōu)良物理性質(zhì)。

目前，多孔SiC陶瓷在冶金、化工、能源、電子及生物等多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

多孔SiC陶瓷的制備方法

多孔SiC陶瓷材料的制備方法較多，不同的制備工藝往往決定了不同的孔隙性質(zhì)。

顆粒堆積燒結(jié)法

顆粒堆積燒結(jié)法是利用陶瓷顆粒自身的燒結(jié)性能，在不同的SiC顆粒間形成燒結(jié)頸，從而使得顆粒堆積體形成多孔陶瓷。

為了降低燒結(jié)溫度，通常添加一定量熔點(diǎn)較低的粘結(jié)劑使不同的SiC顆粒之間形成連接。其制備過程如下圖

顆粒堆積燒結(jié)制備流程

由于顆粒堆積燒結(jié)法中所有的孔隙都是由SiC顆粒之間的堆積間隙轉(zhuǎn)變而來的，因此，通過改變粉末尺寸、粘結(jié)劑種類及添加量和燒結(jié)參數(shù)，可以控制多孔陶瓷成品的孔率和孔徑。

模板法

模板法是第一種用于制備多孔陶瓷的生產(chǎn)工藝。模板法是將陶瓷漿料或前驅(qū)體注入具有多孔結(jié)構(gòu)的模板材料，隨后通過一系列的處理便可得到與模板材料結(jié)構(gòu)相似的多孔陶瓷。

模板法制備流程

由于模板材料的不同，模板法可分為兩類：

一種是使用人工合成材料，如人造海綿作為模板，通常被稱為有機(jī)泡沫浸漬法；

另一種是使用自然生物作為模板材料的生物炭模板法。

有機(jī)泡沫浸漬法

有機(jī)泡沫浸漬法通過浸漬的方式制備多孔陶瓷材料。制備各種不同孔隙率、孔隙尺寸和化學(xué)成分的多孔陶瓷材料，同時(shí)還具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)。

其工藝流程包括

1）將漿料注入有機(jī)泡沫

2）去除多余漿料

3）干燥

4）去除有機(jī)泡沫

5）燒結(jié)

其中關(guān)鍵工藝過程主要包括：

1）有機(jī)泡沫體的選擇和預(yù)處理

2）陶瓷漿料的制備

3)漿料的浸漬及多余漿料的去除

4)坯體的干燥與燒結(jié)

優(yōu)點(diǎn)：有機(jī)泡沫浸漬法制備的多孔SiC陶瓷通常具有網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，因而具有較高的孔率。

缺點(diǎn)：強(qiáng)度較低

原因在于網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的陶瓷坯體在有機(jī)物加熱分解過程中容易受損進(jìn)而變?yōu)槿毕�，降低多孔SiC陶瓷的強(qiáng)度。

生物模板法

生物材料中的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與人工合成材料中的孔隙結(jié)構(gòu)存在很大差異，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，以生物體作為模板并制備出與其結(jié)構(gòu)相似的多孔陶瓷受到了普遍關(guān)注。

通過木質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫滋沾傻牧鞒?/p>

VOGLI等選用松木作為原料，將其置于惰性氣體環(huán)境下加熱，并以一定速率升溫得到生物碳模板。在氬氣氛圍下，通過氣態(tài)Si與生物碳模板的反應(yīng)，得到多孔SiC陶瓷。這種單相多孔SiC陶瓷的孔率為71%，孔徑為20μm,其軸向與切向的微觀結(jié)構(gòu)如下圖

松木在1600℃下與Si蒸氣反應(yīng)4h得到多孔SiC陶瓷的軸向和切向微觀結(jié)構(gòu)

缺點(diǎn)：碳模板制備過程中易產(chǎn)生開裂，對(duì)高孔率的多孔SiC陶瓷的力學(xué)性能影響很大；此外，碳模板的制備時(shí)間長(zhǎng)、滲Si的過程對(duì)設(shè)備要求高，使得整個(gè)制備工藝成本偏高。

添加造孔劑法

添加造孔劑法制備多孔SiC陶瓷通過將造孔劑加入SiC粉末或前驅(qū)體中，再通過后續(xù)的工藝將造孔劑除去，這樣原本造孔劑所占據(jù)的位置便形成孔隙，之后再加熱燒結(jié)形成多孔陶瓷。

添加造孔劑法制備流程

直接發(fā)泡成形法

發(fā)泡成形法是將氣體或者可以通過后續(xù)處理產(chǎn)生氣體的物質(zhì)加入陶瓷胚體或前驅(qū)體，然后再經(jīng)過燒結(jié)得到多孔陶瓷。

直接發(fā)泡成形法制備流程

發(fā)泡成形可以分為粉末坯體發(fā)泡法和漿料發(fā)泡法，前者通常將可產(chǎn)生氣體的物質(zhì)與陶瓷粉末形成坯體后燒結(jié)，并在燒制過程中產(chǎn)生氣體從而使陶瓷體產(chǎn)生孔隙；

漿料發(fā)泡法則是通過物理或化學(xué)變化使得發(fā)泡劑在陶瓷漿料中直接產(chǎn)生穩(wěn)定的氣泡，再進(jìn)行干燥和燒結(jié)過程。

發(fā)泡成形法制備多孔SiC陶瓷的孔率、孔徑及孔徑分布與漿料中的氣體穩(wěn)定性直接相關(guān)，其最大優(yōu)點(diǎn)是孔隙結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生缺陷，因此陶瓷成品具有較高強(qiáng)度。但是利用發(fā)泡成形法難以獲得小范圍孔徑分布的陶瓷。

多孔SiC陶瓷的發(fā)展方向

近年來，隨著技術(shù)水平的不斷發(fā)展，多孔SiC陶瓷技術(shù)也相應(yīng)有了較大進(jìn)展，并在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是，其性能和制備技術(shù)仍有待提高和改善。多孔SiC陶瓷領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)集中在如下幾個(gè)方向。

1）綜合設(shè)計(jì)多孔SiC陶瓷結(jié)構(gòu)和性能。

2）優(yōu)化多孔SiC陶瓷的工藝流程。

3）研發(fā)多孔SiC陶瓷的新型制備方法。

4）開發(fā)多孔SiC陶瓷復(fù)合材料。

5）拓展多孔SiC陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，多孔SiC陶瓷的主要應(yīng)用仍然集中在過濾材料方面，但其在生物材料、隔熱材料、吸波材料和陶瓷/金屬復(fù)合材料等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。