中國粉體網(wǎng)訊 多孔陶瓷是指高溫下燒制而成的高氣孔率和高比表面積的一類功能材料，其具有良好的耐高溫性能，且內(nèi)部孔道分布均勻，密度小，熱導(dǎo)率低，還具有能量吸收、阻尼特性和均勻透過性等優(yōu)異性能，主要用作熔體和氣體的過濾器、催化劑載體以及特種材料(如透波材料、消聲減震材料、保溫材料等)，已廣泛應(yīng)用于冶金、化工、汽車、醫(yī)藥和航空航天等領(lǐng)域。
（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）
多孔陶瓷的造孔工藝決定了多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能，從而決定了其適用范圍。隨著對多孔陶瓷研究的不斷深入，其造孔方法也越來越豐富，大致可以從原料加工及配料中的造孔方法、成型造孔方法、干燥造孔方法、燒成造孔方法等方面進(jìn)行分類。
1、原料加工及配料中的造孔工藝
多孔陶瓷的原料、配料與普通陶瓷材料的不同之處在于，其加入是為了在材料內(nèi)部保留一定規(guī)模的氣孔。這類造孔方法主要有顆粒堆積成孔、添加造孔劑成孔、添加氣體發(fā)泡劑成孔、添加本身含氣孔的配料成孔等。
（1）顆粒堆積成孔工藝
顆粒堆積成孔工藝是根據(jù)固體顆粒堆積時(shí)，顆粒之間的空隙形成氣孔結(jié)構(gòu)，顆粒通過自身的粘合或粘結(jié)劑成型。該工藝氣孔率較低，通常不超過30%。一般情況是把具有一定成分和顆粒粒度級(jí)配的粉料混合均勻，壓制成型后，進(jìn)行燒結(jié)。顆粒間的空隙形成相互貫通的微孔。該工藝可以通過控制粉料中顆粒的粒度來調(diào)整孔徑的大小。
另一種工藝是在骨料中加入微細(xì)顆粒的粘結(jié)劑，利用其易于燒結(jié)的特點(diǎn)，在高溫狀況下產(chǎn)生液相，將大顆粒骨料連接起來�？讖降拇笮∨c骨料粒徑呈線性關(guān)系，骨料粒徑越大，形成的多孔陶瓷平均孔徑就越大。同樣，骨料顆粒尺寸越均勻，形成氣孔的孔徑分布也越均勻。
顆粒堆積工藝制備的多孔陶瓷材料孔徑分布均勻，強(qiáng)度較高，氣孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易變形，因而具有較高的過濾質(zhì)量，并且沒有溶出物，不污染濾液，常用作高溫腐蝕等環(huán)境下的過濾。缺點(diǎn)在于氣孔率較低，通常采用在集料中加入一定比例的造孔劑等方法來提高其氣孔率。
（2）添加造孔劑成孔工藝
造孔劑（porous former），是指成型時(shí)在坯體內(nèi)占有一定的體積，在燒成、加工過程中又會(huì)被除去，并使其所占據(jù)的體積成為氣孔的一類物質(zhì)，也被稱為增孔劑、成孔劑等。
在原料中添加造孔劑成孔是制備多孔陶瓷材料最常用的一種方法，它可以大大提高多孔陶瓷的氣孔率，克服陶瓷顆粒堆積粘結(jié)形成的氣孔結(jié)構(gòu)氣孔率低的缺點(diǎn)。此外，氣孔的尺寸、形狀、分布還可以通過控制造孔劑的含量、造孔劑顆粒的尺寸、形狀和分布進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在陶瓷坯體中加入的造孔劑需滿足三個(gè)條件：不與基體發(fā)生有害的反應(yīng)；在遠(yuǎn)低于陶瓷基體燒結(jié)的溫度下分解或揮發(fā)；排除后在陶瓷基體中無有害殘留物。NH4HCO3、NH4Cl、碳粉、煤粉等易分解的無機(jī)材料以及淀粉、鋸末、聚乙烯醇、聚氯乙烯等有機(jī)材料都是常用的造孔劑。這類造孔劑在較低溫度下就會(huì)被排除，因此在高溫?zé)Y(jié)的過程中，一部分較小的的孔會(huì)重新閉合，降低了材料的氣孔率和透過性能。為克服這些缺點(diǎn)，可以選擇熔點(diǎn)高同時(shí)又易溶于水、酸或堿溶液的造孔劑，如NaCl、CaSO4等。這類造孔劑又被稱為透孔劑，它在陶瓷基體的燒結(jié)溫度下不熔化、不分解、不燒結(jié)，不能在陶瓷基體進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)時(shí)排除，而是在燒結(jié)后，通過水、酸或堿溶液等溶劑的溶解、腐蝕浸出而成孔。
該方法工藝簡單，造孔劑種類多，并可通過調(diào)節(jié)造孔劑的添加量和形狀來控制多孔陶瓷的孔隙率和孔的結(jié)構(gòu)，但是用該方法制備的多孔陶瓷孔隙分布均勻性差，且孔徑較大，大孔隙會(huì)嚴(yán)重影響其力學(xué)性能，選擇合適的造孔劑是采用該方法的關(guān)鍵。
（3）添加氣體發(fā)泡劑成孔工藝
該工藝是在陶瓷原料中加入加熱處理時(shí)能形成揮發(fā)性氣體的有機(jī)或無機(jī)化學(xué)物質(zhì)，產(chǎn)生泡沫，從而在燒成后得到多孔的結(jié)構(gòu)。可以將發(fā)泡劑與陶瓷粉料混合，燒結(jié)時(shí)，發(fā)泡劑就在坯體內(nèi)釋放氣體產(chǎn)生氣孔，從而得到多孔陶瓷，如將CaCO3與陶瓷粉料混合，燒結(jié)過程中，CaCO3因受熱分解放出CO2氣體，在陶瓷體中留下氣孔；也可以將發(fā)泡劑與陶瓷漿料混合，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣泡。
利用添加氣體發(fā)泡劑成孔工藝可以制備氣孔率較高的多孔陶瓷材料，氣孔率可以達(dá)到95%以上。陶瓷制品的形狀、成分、密度容易控制，特別適合制備閉氣孔的多孔陶瓷，且氣孔孔徑容易控制。
（4）添加含氣孔的配料成孔
陶粒、粉煤灰、硅藻土、多孔硅質(zhì)巖、珍珠巖等自然礦物原料具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，在原料中直接添加這類配料就可以簡單容易地制備多孔陶瓷材料。還可以與其它成孔工藝相配合，既能充分利用這類配料中的氣孔結(jié)構(gòu)，還能進(jìn)一步增加氣孔率，并制備出滿足其它需求的氣孔結(jié)構(gòu)。
2、成型過程中的造孔工藝
（1）擠壓成型造孔工藝
擠壓成型是將可塑性陶瓷原料通過設(shè)計(jì)好的多孔金屬模具擠壓成型，再燒結(jié)成多孔陶瓷的一種成型方法。形成的孔的外形為三角形、正方形、六邊形等形狀，直線貫通的宏觀尺寸的氣孔，截面尺寸常有幾個(gè)毫米大，類似蜂窩結(jié)構(gòu)，因此也被稱為蜂窩陶瓷。
擠壓成型工藝制備出的蜂窩陶瓷尺寸、形狀、孔隙率、間壁厚度等精度高，均勻性良好，并且可以根據(jù)對孔的形狀和孔的大小的需要進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)。但是該工藝要求陶瓷原料具有良好的塑性，且制備孔尺寸較小和復(fù)雜孔道結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷難度較大。
（2）有機(jī)泡沫浸漬成型工藝
有機(jī)泡沫浸漬工藝的原理是利用可燃盡的有機(jī)泡沫（作為多孔載體）浸漬陶瓷漿料，干燥后，在高溫下燒盡有機(jī)泡沫而形成孔隙結(jié)構(gòu)，也稱為模板法、前驅(qū)體法。
該工藝的獨(dú)特之處在于利用有機(jī)泡沫體所具有的特殊的開孔三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，將制備好的陶瓷漿料均勻地涂覆、填充在有機(jī)泡沫體的骨架結(jié)構(gòu)中，高溫?zé)g后便可獲得網(wǎng)眼型相互貫通的孔隙結(jié)構(gòu)。該工藝可以制備高氣孔率的多孔陶瓷，工藝過程簡單、方便，制備成本低，是目前制備泡沫陶瓷的主要方法。
泡沫浸漬工藝基本流程
該工藝適于制備開口氣孔的多孔陶瓷，氣孔率較高，可以達(dá)到70%-90%，孔徑可以控制在100μm-5mm范圍內(nèi)。多孔陶瓷體內(nèi)部的氣孔相互貫通，為三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，過濾流體時(shí)，流體壓力損失小，比表面積大，與流體的接觸效率較高，同時(shí)陶瓷材料就有較輕的質(zhì)量，因此多被用作熔融金屬等流體的過濾，還可以用于高溫?zé)煔膺^濾、催化劑載體、熱交換器等方面。
（3）溶膠-凝膠工藝
溶膠-凝膠工藝是一種新的制備多孔材料的方法，這種方法是在溶膠-凝膠原理的基礎(chǔ)上，利用溶膠在凝膠化的過程中，膠體粒子間相互堆積形成孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙中填充的溶液在凝膠處理、熱處理等過程中被排除，留下小氣孔。這些小氣孔多為納米級(jí)，制得的是微孔陶瓷材料，多被應(yīng)用于制備微孔陶瓷薄膜。
（4）纖維架構(gòu)成孔工藝
利用纖維架構(gòu)成型多孔材料是指利用纖維的纖細(xì)形態(tài)或紡織特性，纖維相互架構(gòu)成具有三維的孔洞結(jié)構(gòu)的多孔材料。這種成型工藝主要有兩種：一是長纖維有序編織法，將長纖維二維編織成纖維布或纖維紙，然后疊加成多孔材料，或者直接利用三維編織技術(shù)將纖維編織成氣孔率、孔徑、氣孔排列及形狀高度可控的多孔材料；二是短纖維無序堆積或填充，將短切纖維和粘結(jié)劑以一定的方法堆積或填充在模具內(nèi)，由于纖維的細(xì)長結(jié)構(gòu)并具有良好的彈性，堆積填充過程中纖維間相互架橋便會(huì)形成一種氣孔率很高的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由相對均勻且具有一定形狀的氣孔構(gòu)成，高溫?zé)Y(jié)固化后制得的多孔陶瓷材料氣孔率在85%以上。
（5）凝膠注模成型
凝膠注模法是20世紀(jì)90年代由美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室首次提出的一種新型陶瓷成型方法，該方法將高分子化學(xué)與傳統(tǒng)陶瓷工藝融合為一體，利用漿料內(nèi)部的有機(jī)單體和交聯(lián)劑在引發(fā)劑的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)，從而將粉料固定，在接下來的排膠和燒結(jié)過程中排除有機(jī)物，形成氣孔均勻分布、高孔隙率、高強(qiáng)度的多孔陶瓷。
凝膠注模法工藝簡單，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和近凈尺寸成型，適應(yīng)性強(qiáng)，該技術(shù)的關(guān)鍵是控制干燥條件和排膠過程。目前，凝膠注模法已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，在多孔陶瓷的制備上具有廣闊的前景。
3、干燥過程中的造孔工藝
在干燥過程中，如果在揮發(fā)性物質(zhì)排除的同時(shí)，保持坯體的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免坯體收縮、物料團(tuán)聚造成的坯體內(nèi)孔隙的大量減少，那么揮發(fā)物排除后殘留的空間就可以成為坯體內(nèi)的孔洞結(jié)構(gòu)。這就是冷凍干燥和超臨界干燥制備多孔陶瓷材料的基本原理。
（1）冷凍干燥工藝
冷凍干燥工藝又被稱為凝固成型工藝或升華干燥工藝，將陶瓷漿料在低溫下凝固成型，通過溶劑的升華或揮發(fā)的方式干燥坯體，最后燒結(jié)坯體得到多孔陶瓷材料。冷凍干燥工藝可以通過控制漿料的冷凍方向，獲得具有一定宏觀孔隙的坯體，在低壓條件下進(jìn)行干燥處理，干燥時(shí)坯體中的冰發(fā)生升華，最后在對生坯進(jìn)行燒結(jié)過程中保留冰升華后留下的孔隙。通過上述方法可以制得體內(nèi)具有定向排列的宏觀開口的多孔陶瓷，而且相鄰的開孔的壁內(nèi)還有微孔存在。
（2）超臨界干燥工藝
超臨界干燥工藝是指在干燥介質(zhì)的臨界溫度和臨界壓力下進(jìn)行干燥，可以防止坯體在干燥過程中收縮和破裂，保持坯體的原有結(jié)構(gòu)與形態(tài)，避免陶瓷顆粒的團(tuán)聚所導(dǎo)致的材料基礎(chǔ)粒子變粗，這對多孔材料的制備過程是十分有利的。
由溶膠-凝膠工藝制備的氣凝膠多用超臨界干燥處理，因?yàn)槟z干燥過程中微孔洞內(nèi)的表面張力會(huì)破壞材料的結(jié)構(gòu)。對凝膠進(jìn)行升溫加壓，使其內(nèi)部的液體變成超臨界態(tài)的流體，消除氣液界面，表面張力消失，這時(shí)從凝膠體中除去液相成分，便可以得到低密度的氣凝膠材料。
4、燒成過程中的造孔工藝
在多孔陶瓷的燒結(jié)過程中，除要達(dá)到陶瓷原料燒結(jié)，獲得一定強(qiáng)度的坯體外，還有一個(gè)重要作用，即按照預(yù)先設(shè)計(jì)的反應(yīng)排除原料中所添加的造孔劑、高溫發(fā)泡劑，并在坯體內(nèi)形成孔隙結(jié)構(gòu)。在這一過程中，應(yīng)注意降低對成型、干燥過程中所形成的孔隙結(jié)構(gòu)影響，保留好這些孔隙結(jié)構(gòu)，還可以對它們進(jìn)行改善，提高氣孔率。
（1）自蔓延高溫?zé)桑⊿HS）
自蔓延高溫合成工藝也被稱為燃燒合成，該技術(shù)制備多孔材料的過程主要是放熱過程，利用材料間化學(xué)反應(yīng)放出的熱量來維持燒結(jié)過程的進(jìn)行，在合成新物質(zhì)的同時(shí)，制備出多孔材料。由于材料的燒結(jié)過程與燃燒合成過程是同時(shí)進(jìn)行的，因此這種工藝制備出的多孔陶瓷孔隙率能達(dá)到50%以上。
用SHS方法制備多孔陶瓷，與常規(guī)的方法相比，具有合成反應(yīng)過程迅速、節(jié)省能源、產(chǎn)品純度高、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是試樣的燒結(jié)尺寸和反應(yīng)速率難以控制。
（2）微波加熱工藝
微波加熱工藝是指依靠物體吸收微波并轉(zhuǎn)化為熱能，是水分在坯體升至一定溫度后完全蒸發(fā)，并制成多孔材料。
微波燒結(jié)利用材料的節(jié)電損耗發(fā)熱，只有坯體的溫度升高，不需要加熱元件和絕熱材料，也不需要耐高溫的爐體，結(jié)構(gòu)簡單。加熱過程迅速，短時(shí)間內(nèi)就可完成材料的燒結(jié)，且在燒結(jié)過程中，材料內(nèi)部溫度均勻，無溫度梯度，不存在熱應(yīng)力，因此有利于大尺寸復(fù)雜形狀的材料的燒結(jié)。另外，微波加熱燒結(jié)時(shí)間短，材料可以迅速燒結(jié)，這樣就可以避免長時(shí)間燒結(jié)所導(dǎo)致的晶粒長大的問題，從而制備出晶粒較小的高韌性、高強(qiáng)度的多孔陶瓷材料。
5、小結(jié)
以上介紹的各種造孔工藝都各有特點(diǎn)，制備的多孔材料的氣孔率、孔徑、氣孔形狀都有所不同，其使用環(huán)境也有所不同。若將其中幾種造孔工藝結(jié)合使用，便可以制備出具有高氣孔率和多種孔隙結(jié)構(gòu)，具有綜合優(yōu)勢的多孔陶瓷制品。
參考資料：
郎建林.噴霧干燥法制備氧化鋁多孔陶瓷的工藝與性能研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)
王鵬舉，等.多孔氮化硅陶瓷制備方法的研究進(jìn)展.河海大學(xué)
尹月，等.氧化物多孔陶瓷研究新進(jìn)展.東北大學(xué)
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！
