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新型结构陶瓷——多孔陶瓷综述

来源:兰州大学材料与能源学院 作者:周婧桢

多孔陶瓷材料是以刚玉砂、碳化硅等优质原料为主料、经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的一种多孔性陶瓷材料。具有耐高温,高压、抗酸、碱和有机介质腐蚀,良好的生物惰性、可控的孔结构及高的开口孔隙率、使用寿命长、产品再生性能好等优点。可以适用于各种介质的精密过滤与分离、高压气体排气消音、气体分布及电解隔膜等。

莫来石-锆英石多孔陶瓷:

在此研究中,陶瓷壳(莫来石源),一种来自失蜡铸造工艺的工业固体废物,经过破碎和研磨步骤,被用作高温应用(>1400°C)生产多孔陶瓷的替代原料来源。从物理、化学、形貌和结晶学等方面对所制备的陶瓷壳粉进行了表征,并对其粒径分布(d<2 um)进行了表征。采用直接发泡和凝胶浇铸法制备样品,在室温下干燥,然后分650℃/2 h和1550℃/2 h两步烧制,在炉子中冷却至室温。研究了固体载荷(35和42vol.%)和搅拌速度(500和2000rpm)对多孔结构(孔径分布和孔隙率)和陶瓷壳泡沫样品力学性能的影响。结果表明:以莫来石-锆英石为原料制备的泡沫陶瓷孔径在100~900μm之间,孔隙率高达77%,抗压强度在3~20MPa之间。

悬浊液乳化多孔陶瓷:

近年来,随着催化、过滤、隔离等方面的应用需求,多孔材料的开发和/或优化得到了大量的努力。在此背景下,接下来介绍红粘土、高岭土和氧化铝悬浮液在不同温度烧结后,通过陶瓷乳剂挤压制备多孔陶瓷的工艺条件和相应的表征。在熔点高于室温的石蜡中对陶瓷悬浮液进行乳化是这种加工方法成功的关键,因为有机液滴的冻结使得挤压过程中基质具有良好的稳定性。实验结果表明,多孔陶瓷具有良好的微观结构稳定性,其机械强度可达30MPa,热导率低于0.25W∙m^−1∙K^−1,具有一定的应用价值。

ZrO2-TiO2陶瓷:

近年来,ZrO2-TiO2多孔陶瓷在介质谐振腔材料、光学器件制备、生物材料制备等领域都引起了人们的极大兴趣。本研究揭示了一种采用胶体湿法制备ZrO2-TiO2微孔陶瓷的方法。以没食子酸丙酯为两亲剂,在合适的pH范围内对胶体悬浮液中的ZrO2颗粒进行部分疏水。在表面改性的ZrO2悬浮液中加入不同摩尔比的TiO2悬浮液。接触角在75°左右,吸附自由能为1.8×10^−11~2.15×10^−11, Laplace压力约为1.48~1.24mPa,对应的湿泡稳定性约为76~80%。将干燥后的样品烧结后进行显微结构分析,得到多孔陶瓷。

多孔陶瓷材料的应用:

载体。多孔陶瓷具有良好的吸附能力和活性。被覆催化剂后,反应流体通过泡沫陶瓷孔道,将大大提高转化效率和反应速率。由于多孔陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特点,作为汽车尾气催化净化器载体已被广泛使用除了作催化剂载体外,它还可以作为其它功能性载体,例如药剂载体、微晶载体、气体储存等。

吸音材料。多孔陶瓷具有连通开气孔,当声波传入时,在很小的气孔内受力振荡。振动受到的摩擦和阻碍,使声波传播受到抑制,导致声音衰减,从而起到吸音的作用。是一种消除噪声公害,益于人们身心健康的好材料。作为吸音材料的多孔陶瓷要求较小的孔径(20~150/um),相当高的气孔率(>60%)及较高的机械强度。陶瓷所具有的优良的耐火性和耐候性,使它可用于变压器、道路、桥梁等的隔音。现在已在高层建筑、隧道、地铁等防火要求极高的场合及电视发射中心、影剧院等有较高隔音要求的场合使用,效果很好。

隔热保温材料。由于多孔陶瓷具有巨大的气孔率和低的基体热传导系数,其最传统的应用是作为隔热材料。传统的窑炉、高温电炉其内衬多为多孔陶瓷。为增加其隔热性能还可将内部气体抽真空。世界上最好的隔热材料正是这种多孔陶瓷材料。高级的多孔陶瓷隔热材料还可用于航天飞机的外壳隔热。除此以外,由于其多孔性还可以作为换热材料用,且换热充分。

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