多孔陶瓷材料的制备工艺研究进展

2017-03-05李超王丽萍神华准能资源综合开发有限公司内蒙古薛家湾010300

化工管理 2017年22期

关键词：陶瓷材料冷冻干燥溶胶

李超王丽萍(神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古薛家湾 010300)

多孔陶瓷材料的制备工艺研究进展

李超王丽萍(神华准能资源综合开发有限公司，内蒙古薛家湾 010300)

多孔陶瓷是一种新型功能材料，因其物化性质优异，被广泛用于众多领域。本文介绍了多孔陶瓷的分类、性能；着重介绍新型制备方法，如：冷冻干燥、梯度构造、溶胶凝胶和放电等离子烧结工艺，并对陶瓷的研发方向进行了展望。

多孔陶瓷；制备新工艺

0 引言

多孔陶瓷由骨料、粘结剂和增孔剂等组分煅烧而成，可利用孔结构与材质属性相结合达到多功能性陶瓷体。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)命名法，多孔陶瓷一般按孔径大小分为：微孔陶瓷(孔径＜2nm)、介孔陶瓷(孔径为2～50nm)及宏孔陶瓷(孔径＞50nm)三类[1]。按孔形结构可分为粒状陶瓷、蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷三类[2]，后者有闭孔型、开孔型及半开孔型3种类型；按照基体材质可分为，高质硅酸盐类、铝硅酸盐类、硅藻土、刚玉、金刚砂、陶质、石英玻璃和其它工业废料。

多孔陶瓷性能优异：

(1)良好的化学稳定性；

(2)优良的耐热性能；

(3)优异的透过性；40较高的比表面积和可控孔结构；

(5)极低的电导率。

1 多孔陶瓷的制备工艺

1.1 传统制备工艺

多孔陶瓷的性能与陶瓷基体的物化性能、气孔形态、气孔分布状态和体积大小密切相关。制备工艺技术是决定陶瓷结构、气孔形态和应用范围的关键因素。传统制备工艺具有工艺流程短、操作周期短、易于工业化等特点。主要包括：有机泡沫浸渍法、发泡法、挤压成型法、添加造孔剂法、颗粒堆积法等。

1.2 新型制备工艺

1.2.1 冷冻干燥工艺

冷冻干燥工艺，原理是将干燥物料在低温下冷冻至共晶点以下，使物料中的水分变成冰，通过控制冰生长方向来改变孔排列结构，然后在真空下将冰升华为蒸汽而除去，并通过烧结得到多孔陶瓷。

CaiYaohui等报道了冷冻干燥工艺制备了多孔Si3N4陶瓷，先将质量比为19：1的Si3N4与糊精混合均匀，并转移至模具于冷冻干燥机中。当冷冻温度为-50oC、压力为2Kpa时，即获得多孔Si3N4陶瓷前驱体。研究发现：焙烧温度对多孔Si3N4陶瓷物相变化、微观结构、抗弯强度、介电常数影响较大。

1.2.2 梯度构造工艺

陶瓷中气孔率按特定方向呈规律排列的陶瓷称为气孔梯度陶瓷，分为阶梯气孔和连续气孔两种。Chen Fei等以a-Si3N4陶瓷粉末为原料、ZrP2O7为粘结剂、H3PO4为造孔剂，采用喷雾和压力烧结技术成功制备了梯度孔分布的Si3N4陶瓷。料浆先进行预热，形成粘结剂及其相键和的孔隙度；并改变磷酸的添加量来控制孔结构；再经压力喷涂料浆形成梯度结构。最后经1000℃焙烧，获得孔隙度范围在20%～70%、呈梯度变化的Si3N4陶瓷。

1.2.3 溶胶凝胶工艺

溶胶-凝胶技术是利用溶胶在凝胶化过程中胶体粒子堆积交联，形成空间网状结构和凝胶在热处理过程中留下气孔的方法来制备陶瓷材料的一种工艺。具有合成温度低、产物结构可控度高的特点，可用来制备无裂纹多孔陶瓷膜、微孔陶瓷和泡沫陶瓷。Wang Hui以硝酸铀酰和钛化合物为原料，硝酸为催化剂，采用溶胶凝胶技术，以及后处理(水洗、焙烧、氢还原)等技术成功制备了钛掺杂氧化铕燃料陶瓷微球。研究发现：温度在1250-1450℃范围内，掺杂TiO2的UO2燃料陶瓷球活化能显著降低，形成高价态U4O9化合物，也是晶粒尺寸迅速增长的原因。

1.2.4 放电等离子烧结工艺

放电等离子烧结工艺(SPS)是指粉末颗粒之间通入脉冲电流，使其快速生温而实现烧结的一种方式，又称为等离子辅助烧结和脉冲电流热压烧结。Chen Wei wu等以内消旋沥青碳、Si3N4粉末为原料，Al2O3和Y2O3为烧结助剂，采用等离子放电烧结技术制备了碳化硅陶瓷。结果表明：压强为30MPa、焙烧温度为1900℃、真空下焙烧5min，能够使碳颗粒完全气化，形成两种孔道结构的SiC陶瓷，孔径尺寸分别为20um和2.1um，分别来源于碳颗粒移除和焙烧剩余的SiC开孔外壳；该方法制备的蜂窝陶瓷，具有孔隙度和孔径尺寸可控的特点。