泡沫陶瓷材料發展始於20世紀70年代,是一種具有高溫特性的多孔材料,孔徑從納米級到微米級不等,氣孔率在20%~95%之間,使用溫度為常溫~1600℃。泡沫陶瓷是具有高比面積、高氣孔率、低密度、低熱傳導係數,對液體和氣體介質有選擇透過性,並具有能量吸收和阻尼特性等優異性能的新型材料,且孔道呈互相連接的迷宮式三維網狀結構的多孔體,在熔融金屬、氣體液體過濾、淨化分離、化工催化載體、吸聲減震、高級保溫材料、生物材料、特種牆體材料和傳感器材料等方面作用顯著,廣泛應用於環保、能源、化工、生物等領域。這些應用正是利用了較高的孔隙率和較大的比表面的特點,同時兼有機械強度較高、高溫下化學穩定性好及吸附性好的優良特性。
泡沫陶瓷一般可以分為兩類,即開孔(網狀)陶瓷材料以及閉孔陶瓷材料,這取決於各個孔穴是否具有固體壁面。如果形成泡沫體的固體僅僅包含於孔稜中,則稱之為開孔陶瓷材料,其孔隙是相互連通的;如果存在固體壁面,則泡沫體稱為閉孔陶瓷材料,其中的孔穴由連續的陶瓷基體相互分隔;但大部分泡沫陶瓷既存在開孔孔隙又存在少量閉孔孔隙。
製備工藝
泡沫陶瓷製備工藝主要有有機(聚合物)泡沫浸演工藝、發泡工藝、添加造孔劑工藝、溶膠-凝膠工藝、凝膠注模工藝。
1、有機(聚合物)泡沫浸演工藝
用有機泡沫浸漬陶瓷料漿,乾燥後燒掉有機泡沫。憑藉有機泡沫的開孔三維網狀骨架結構,將製備好的料漿均勻塗覆在有機泡沫網狀體上,燒掉有機泡沫後獲得的孔隙是網絡狀的。關鍵點在於有機泡沫的選擇,需要考慮有機泡沫孔徑、泡沫的親水性和恢復力、燒失性等。
2、發泡工藝
發泡工藝是陶瓷組分添加有機或無機化學物質,通過化學反應等產生揮發性氣體,產生泡沫,經乾燥和燒結製成泡沫陶瓷。
3、添加造孔劑工藝
通過在陶瓷配料中添加造孔劑,利用造孔劑在坯體中佔據一定空間,然後經過燒結,造孔劑離開基體而形成氣孔。
4、溶膠-凝膠工藝
溶膠-凝膠工藝技術製備泡沫陶瓷材料,在溶膠向凝膠的轉化過程中,體系的粘度迅速增加,從而穩定前期產生的氣泡,有利於發泡,適用於之別孔徑納米級的微孔陶瓷材料和高規整度的泡沫陶瓷材料。
5、凝膠注模工藝
採用非孔模具,利用漿料內部或少量添加劑的化學反應作用使陶瓷漿料原位凝固形成坯體,獲得具有良好微觀均勻性和形狀的坯體,是一種被廣泛應用的成型方法,可以使懸浮體泡沫化且能使液體泡沫原位聚合固化。
應用
1、催化劑載體材料
泡沫陶瓷具有高比表面性,作為催化劑載體可以增加有效接觸面積,增強催化效果;因其耐熱、不汙染、不易中毒、成本低廉等優點,已廣泛應用於汽車尾氣、化工領域等處理有毒、惡臭等有害氣體。
2、隔熱材料
泡沫陶瓷中的閉氣孔降低了放熱效率,減少熱傳播中的對流,是其具有熱傳導率低、抗熱震等優良特性,是極佳的耐熱材料。
3、燃燒器
泡沫陶瓷材料作為多孔介質燃燒器,能通過陶瓷材料的良好熱交換率降低火焰溫度,在惰性多孔陶瓷表面內或接近表面處進行各種燃料的預混合燃燒,節省能量並顯著降低COX 、NOX排放。
4、吸聲材料
泡沫陶瓷具有大量三維空間網絡結構的孔隙,聲波傳入引起孔隙中的空氣產生振動並使陶瓷筋絡發生摩擦,粘滯作用使聲波轉變為熱量而消失,達到吸收聲音的效果。
5、生物材料
多孔羥基磷灰石陶瓷與人體骨骼、牙齒無機質的成分極為相似,對人體無毒,具有幾的生物相容性和生物活性;其相互連通的孔隙有利於組織液的微循環,促進細胞的滲入和生長。
來源:信息之窗,2018年12期,泡沫陶瓷及應用
馬寧等,泡沫陶瓷的製備方法及研究進展
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