多孔陶瓷材料制备工艺技术探索

刘羽飞

（景德镇陶瓷研究院，景德镇，333000）

0 引言

关于多孔陶瓷，还可将其称为微孔陶瓷、泡沫陶瓷，最初发展于20世纪70年代，最开始多孔陶瓷用于细菌过滤所用材料，但随着科学技术不断进步，控制材料细孔结构水平也随之有了很大的提高，相对于玻璃纤维、金属等材质，孔结构具有可控特征，开口孔隙率也得到有效提升，透过性也更为均匀，具有易再生、热传导性低、耐高温耐腐蚀的应用优势，被普遍用于我国环保、化工、食品等各大领域中，具有重要意义。

1 多孔陶瓷材料特征

1.1 在气孔率方面

从整体上来看多孔陶瓷的特征，其中最明显的特征就在于气孔非常多，且均匀可控。对于气孔可分为两种类型，一种为开口气孔，这类气孔具有过滤、吸附、消音等各项功能；另一种为闭口气孔，其作用在于将热量、声音等阻隔在外，同时也可进行固液体之间的微粒传递。泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷以及陶瓷颗粒烧结体三者在气孔率上分别为70%-90%、60%、30%-50%，通过上述数据能够明显看出多孔陶瓷的气孔率相对比较高。

1.2 在强度方面

对于多孔陶瓷材料制备，主要是由金属氧化物、碳化硅、二氧化硅等一些化学物质进行高温烧制形成的，因上述制备材料本身强度就非常高，在对这些材料进行煅烧时，其中原料颗粒边界处因煅烧作用出现融化现象，因此发生粘结并制备成强度非常高的多孔陶瓷[1]。

1.3 在物理化学性质方面

多孔陶瓷材料具有耐腐蚀、耐酸性的化学作用，同时对高温、高压也具有非常强的承受能力，且具有非常好的洁净优势，不会因自身原因造成二次污染问题，迎合当前国家大力推行的可持续、绿色环保这一发展理念提出的各项要求，值得大力推广。

1.4 在过滤性方面

除上述特征之外，多孔陶瓷材料还可作为过滤材料所使用，通过其相对狭小的孔径分布范围，以及高气孔率的优势，促使过滤物充分接触陶瓷材料后，能够将悬浮物、微生物、胶体物等一些具有污染性质的物质阻截于过滤介质表面或者内部，即可起到一定的过滤作用，所产生过滤成效也非常好。除以上之外，多孔陶瓷材料经过长期使用后，借助液体、气体对其进行反冲洗处理，就会恢复其所具有的过滤这一应用功能。

2 多孔陶瓷材料制备工艺技术

2.1 有机泡沫浸渍技术

应用有机泡沫浸渍技术进行多孔陶瓷材料制备，其根本制备工艺原理就是通过有机泡沫体本身具备的三维网状骨架这一特殊性的结构形态，然后通过浸渍有机泡沫体，放在已经做好制备处理后的陶瓷浆料中，在这个过程中泡沫体会逐步将其中多余的浆料控出来并进行干燥处理，烧掉有机泡沫后获取多孔陶瓷。从整体上来看这种制备工艺技术在操作上相对比较简单且方便，整个过程不需要投入复杂设备，所需制造成本也非常低廉，通过该制备工艺所获取的多孔陶瓷中的孔结构具有完全连通的特性，因此比较适用于制备开口气孔、高气孔率等类型的多孔陶瓷中[2]。除以上之外，应用该制备工艺进行多孔陶瓷制备还需要特别注重对有机泡沫体的选择，根据制备需求加入适当的粘结剂，与此同时还可特别注意对烧成陶瓷的温度进行有效控制，这样做的目的在于避免因温度过高或过低导致制品出现开裂情况，应用上述制备的泡沫陶瓷是当前最为主要的一种多孔陶瓷。

2.2 溶胶-凝胶工艺

在进行多孔陶瓷材料制备时采用溶胶-凝胶工艺进行制备，具体指的是通过在凝胶化这一过程中，其中的胶体粒子不断堆积一起，且在进行凝胶处理、热处理时还会产生一些小气孔，因此也就形成具有可控性特征的多孔结构。上述制备工艺通常应用于纳米级气孔使用中，大多情况下都是用于制备微孔陶瓷。从整体上来看溶胶-凝胶这一制备工艺，是当前进行多孔陶瓷制备中一种新型工艺技术，相比较于其他类型的工艺技术具有属于自身的独特优势，将这种制备工艺应用于氧化铝多孔陶瓷制备时，能够起到对陶瓷孔径分布的纯度、显微结构等方面的优化和改善作用，其中需要特别注意这种制备工艺需要使用大量有机物，所需资金成本相对比较高，且生产产量比较低，应选择性使用。

2.3 发泡工艺

对于发泡工艺进行陶瓷制备，具体指的是将有机或无机性质的化学物质添加至陶瓷组分中，借助化学作用来形成具有挥发性特征的气体，从而形成泡沫状态的物质，在通过干燥和烧制的方式制作而成的多孔陶瓷，对于这部分多孔陶瓷还包括网眼和泡沫两种类型，与上述泡沫浸渍制备工艺技术进行对比，发泡工艺的应用优势主要在于能够对陶瓷制品性状、密度、成分等进行有效控制，同时也能够根据加工需求制备更多类型的气孔性状、不同大小的多孔陶瓷制品，因此这类制备工艺通常用于进行闭气孔陶瓷材料制备所使用[3]。在整个制备过程中，其中所使用的发泡剂化学物质类型相对比较多，但因其具有工艺条件控制比较困难，这也就对陶瓷材料生产带来一定的阻碍影响，另外在进行实际烧制时，因温度增长太快也会使得其中的有机物发生剧烈氧化，同时也会在非常短的时间内产生大量气体，从而导致陶瓷的胚体出现开裂、粉化等现象。

2.4 添加成孔剂工艺

在需要进行的陶瓷配料中，将造孔剂加入其中，这样做的目的在于借助造孔剂的作用在陶瓷胚体内部占据一部分空间，然后对其进行烧结处理后造孔剂就会离开，从而产生气孔来进行多孔陶瓷制备。从整体上来看，添加成孔剂制备工艺进行多孔陶瓷制备，与当前应用的普通陶瓷制备工艺进行对比，其在制备流程具有很多相似之处，将成孔剂加入陶瓷基体中，对其进行加热处理后基本不会有残留物，同时也不会与基体发生反应，这类制备工艺在应用过程中相对比较简单，且适合应用于规模比较大的陶瓷材料生产作业中；另外，因造孔剂颗粒的大小、形状存在一定的不同之处，因此也就决定了之后所制备出来的陶瓷材料的大小和形状，但从整体上来看，所制造出来的陶瓷材料气孔率相对比较低，分布也不是很均匀，对于这类工艺所制备出来的多孔陶瓷，大部分应用在催化剂载体方面。

2.5 挤出成型制备工艺

对于挤出成型这类制备工艺，主要用于对蜂窝状形式的多孔陶瓷进行制备生产，同时也是当前蜂窝陶瓷应用最为普遍的一种制备工艺，对于工艺流程具体如下：先将多孔陶瓷制备所需原料进行合成处理，并混合于一体，然后再对其采取挤出成型工艺，并采取干燥、烧制后形成多孔陶瓷制品[4]。对于这类制备工艺所生产出来的多孔陶瓷，具有气孔尺寸、形状以及孔隙率比较均匀的特征，因此可用于批量多孔陶瓷生产作业中。但要特别注意的是，应用挤出成型这一制备工艺所生产的多孔陶瓷材料，其孔道结构相对比较简单，气孔尺寸也非常小，同时对于核心程序挤出成型塑性方面的制备要求相对比较高。

2.6 固相烧结工艺

采取固相烧结这一工艺进行多孔陶瓷制备作业，主要是借助其所具有的微细颗粒在烧结时比较容易的特征，通过在制备骨料中添加与之相同组分的微细颗粒，然后基于一定温度条件下，促使骨料中微细颗粒随之进行蒸发和迁移，通过对大颗粒连接部进行烧结处理后，以此使得其中的大颗粒处于连接状态。在烧结过程中，所有骨料就会在其中与其他颗粒之间进行连接，在连接过程中，也会逐步在烧结体中形成大量三维贯通孔道，从而形成多孔陶瓷。

2.7 凝胶注模工艺

对于凝胶注模这种多孔陶瓷制备工艺，最开始起源在20世纪90年代美国，将传统多孔陶瓷制备工艺和高分子化学反应两者相结合，从而形成这种新型的多孔陶瓷制备工艺技术，整个制备过程就相当于原位成型的过程，在具体制备中，是通过有机单体或少量添加剂，使其产生化学反应后，在进行原位凝固成型，通过以此获取微观均匀、强度高的多孔陶瓷胚体，在对此进行烧结后获取多孔陶瓷成品。

2.8 冷冻干燥工艺

对于冷冻干燥制备工艺的使用，借助冰的作用包围和隔离处于柱形状态的凝胶，在这个过程中还要对溶液中冰生长方向进行有效控制，使其保持单向生长状态，当冰不断溶化也就随之形成纤维。而对于冻干制备工艺，其中所使用的溶剂则是从原本的固态逐渐升华成气态后进行排除[5]。在制备过程中，通过对金属盐溶液冷冻方向进行相应的控制，以此获取具有高气孔率、方向好的多孔陶瓷，其中气孔率通常在90%以上。从整体上来看，冷冻干燥工艺进行多孔陶瓷制备，所生产出来的陶瓷胚体具有收缩小、控制比较简单，同时对于陶瓷的孔结构也具有非常强的可设计性能，机械强度也比较好的优势，最重要的是应用该工艺进行多孔陶瓷制备不会对环境造成污染影响。

2.9 自蔓延高温合成工艺

对于自蔓延高温合成制备工艺，还可将其称为燃烧合成工艺，应用该制备工艺进行多孔材料制备，其主要原理就是通过放热、化学反应过程中所释放的热量，来起到对自我热量进行的维持作用，借助热量的维持作用获取新物质的同时，也就制备出了多孔材料，也可以根据形状要求获取相应的多孔材料。另外，在进行燃烧合成的同时也会进行出现烧结状态，这种燃烧状态下的烧结体孔隙率是非常高的，一般情况在50%及以上。与其他常规性的制备工艺进行比较，燃烧合成工艺的制备特征和优势主要体现在以下几方面：燃烧合成、反应相对比较快，能够起到节约能源资源的作用，所制备出来产品具有纯度高的优势，整体上所采用的工艺流程非常简单，适用于无机材料制备；关于该制备工艺中存在的不足主要在于因燃烧合成反应和速度比较快，因此对于烧结尺寸的控制存在一定困难度。

2.10 水热-热静压工艺

关于水热-热静压工艺主要是以水作为整个制备工艺中的压力传递介质，通过以此制备出不同孔径大小的多孔陶瓷，对于该制备工作的流程具体如下：将质量百分数为10%的水与硅凝胶两者进行混合处理，将处理后的混合液放在高压釜中，对于高压釜的压力要求为10-15Mpa之间，温度要求为300℃，通过高压釜的作用促使其中的水蒸气处于挥发状态，从而制备成多孔陶瓷。从整体上来看应用该种制备工艺，反应时间要求通常在10-180min之间，若高压釜压力位25Mpa时，则所需反应时间一般为1h，所制备出来的多孔陶瓷材料体积密度、孔体积、孔分布范围、抗压强度分别为0.88g/cm3、0.598g/cm3、30-50cm、80Mpa，其应用优势主要在于制备出来的多孔陶瓷材料具有抗压强度比较高，整体性能非常稳定，且孔径分布范围相对比较广泛[6]。

2.11 组织遗传制备工艺

对于组织遗传这种制备工艺的应用，是通过植物本身所具有的天然多孔组织的特征下进行制备的，通过将植物置于800℃-1000℃的温度下，并与惰性气体处于同一环境下进行热解碳化后。从而获取与木材多孔结构同类的碳预制体，将此作为多孔陶瓷制备的模板，通过在1600℃环境下的液态硅中进行蒸发处理后，形成硅蒸汽并深入模板中，将其与碳化进行合成处理，最终制备出多孔碳化硅陶瓷。整个制备过程非常简单，所需要的资金也比较低，但其中需要特别注意的是，制备出来的多孔陶瓷孔结构取决于其中所用材质组织，因此设计性非常差，另外碳化硅转化率也非常低。除以上之外，还可将木材置于真空环境下，然后浸渍于树脂中，并处于1200℃环境下进行热解处理，最后通过冷却获取相应孔隙率木材陶瓷材料。

3 总结

综上所述，随着多孔陶瓷材料制备工艺技术不断进步，因其所带来的巨大社会和经济效益，得到当前社会各大领域的高度关注和重视，特别是航天、军事、金属陶瓷复合材料等领域对多孔陶瓷材料的需求更为迫切，对此相关科研人员未来应加快对制备工艺的优化，加强对气孔尺寸、分布性状等方面的可控性，减少企业生产成本，创造更高效益，实现产业化生产目标，为各大领域的发展提供更多有力支持。