仿生多孔陶瓷材料的制备工艺方法分析

张云霞　颜华　冷毅飞

【摘   要】   由于仿生多孔陶瓷属于环境友好型材料且具有优异的力热电特性，成为研究的热点。从原料成分、成型方法和烧结条件阐述国内外仿生多孔陶瓷材料的研究状况，分析各种制备技术的优缺点，并对仿生多孔陶瓷材料可能的研究方向进行展望。

【关键词】   仿生多孔陶瓷；制备工艺；研究进展

Analysis of the Preparation Process of Biomimetic Porous Ceramic Materials

Zhang Yunxia， Yan Hua， Leng Yifei

（Langfang Normal University， Langfang 065000， China）

【Abstract】    Biomimetic porous ceramics， which are environmentally friendly materials and have excellent thermoelectric properties， have become a hot research topic. In this paper， the research status of biomimetic of porous ceramic materials at home and abroad is described from the raw material composition， molding methods and sintering conditions. The advantages and disadvantages of various preparation technologies are analyzed. Finally， the possible research directions of biomimetic porous ceramic materials are prospected.

【Key words】      biomimetic porous ceramics; preparation process; research progress

〔中圖分类号〕 O343.6                 〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2023）02- 0088 - 03

0     引言

仿生多孔陶瓷材料是以植物为原材料或模板加工制作的一种陶瓷材料。研究广泛使用的植物材料为木材（如白松、杉木等）、秸秆、稻壳、烟杆、芦苇等［1-2］。植物基制备的多孔陶瓷材料具有良好的环境协调性，而且其电磁屏蔽性能和摩擦性能也极为优越，加之生产制备方便，制造成本低，日益成为人们首选的材料。但因为木材具有各向异性，使得其力学性能具有明显的方向性［3］。李淑君等［4-5］对实木和中密度纤维板先后进行了试验和研究，发现实木比中密度纤维板样品易于浸渍，但处理后样品的质量增加率和增容率趋势变化相同。因此，为了充分发挥出这一环境材料的优势并广泛地应用于实际，需要解决材料选择及制造工艺比选的问题。本文结合近些年来国内外对仿生多孔陶瓷材料制作工艺的研究，对各类加工制造方法及流程进行阐述，并指出各种制备技术的优缺点，最后对未来的发展趋势进行展望。

1     溶胶凝胶法

溶胶凝胶法用高化学活性的化合物作为前驱体，与原料进行混合后，发生水解及各种复杂的化学反应，经过溶胶变为凝胶的转化过程，再经过一系列干燥、烧结、固化等过程。曾昭焕［6］采用了这种方法，制备出了一种SiO2陶瓷基复合材料，它是通过高纯硅溶胶进行浸渗和干燥，在小于950℃下获得。由于添加了石英纤维及高硅氧纤维等化学材料，提高了陶瓷的韧性。Cao［7］将一些稳定的氧化物前驱体（Al2O3、TiO2等）渗入到松木中，然后利用烧结工艺除去木模板，制备出了保留木材结构的氧化物多孔材料。潘建梅［8］利用农业废弃物甘蔗渣为主要原料，通过加热浸渍环氧树脂后热压成型，制备了在环氧树脂与甘蔗渣不同质量比下的木质陶瓷。为制备类似原始木材组织的生物碳陶瓷，该研究者还将铝酸丙酯、锆氯氧化学剂在真空炉中与SiO2纳米粉混合，得到溶胶，然后加入HNO3水解，该陶瓷在一定温度下成功复制出了原木材组织，这种陶瓷具有均匀的定向孔隙结构。

溶胶凝胶法作为一种最传统的制备方法，已经有了相当成熟的技术和理论框架。该工艺可以较好地保持木材原始结构的形貌，气孔率较高。所用的原材料首先被分散到溶剂中形成低黏度溶液，因此具有良好的化学均匀性［9］。另外，该体系中扩散组分的尺度在纳米范围内，所以反应容易进行，所需合成温度也偏低。缺点是由于碳热还原反应会消耗相当一部分碳，所以其力学性能较差，而且目前所使用的原材料价格比较昂贵。有些原料为有机物，对健康有一定的损害。另外，利用该工艺制备，所需时间较长，常需要几天或几周。

2     热压反应烧结法

热压反应烧结法是对坯料进行烧结的过程中同时施加压力，从而加速致密化的过程。周峰等［10］先将香杉木粉进行球磨，然后干燥至恒温后进行研磨，再将制备好的木粉和硅粉以及环氧树脂进行均匀拌和，经过压制、高温炭化、烧结氧化后制得多孔SiC陶瓷材料，发现木粉和环氧树脂的热分解行为有助于避免或减少变形和裂纹的产生。Kumagai 和 Sasaki ［11］先将稻壳粉碎，再与二氧化硅混合热压成型，此时无需使用粘结剂，在800℃下烧结，成功制备出了C/SiO2复合材料。实验结果表明，稻壳研磨得越细，复合材料密度和抗压强度的提高越明显。钱军民［12］等将椴木木粉放置在被抽成真空的浸渍罐中，回灌进酚醛树脂后减压至常压，再将其置于60℃的烘箱中固化后模压，随后进行高温炭化，冷化制备出呈现拓扑均匀的三维网络结构的木质陶瓷。宋强［13］等以酚醛树脂为粘合剂，秸秆为基体经过烧结工艺，成功地制备出了致密性良好的木质陶瓷材料。

坯体在烧结过程中会发生一系列的物理化学变化，如膨胀、收缩、气体的产生、液相的出现、旧晶相的消失、新晶相的形成等。因此，烧结过程中如何控制各种因素显得尤为重要。该工艺的优点是烧结时间短，易获得低孔隙率的烧结体。缺点是容易出现颗粒生长现象，这种现象容易在同种原料直接反应物中出现，从而致使原料的反应性降低、扩散距离增加及接触点减少。

3     液相渗入反应法

液相渗入反应法是一种新型的多孔陶瓷制备方法。其主要过程是：先将木材切成块状，然后在保证木材充分干燥的情况下，放入真空炉中进行高温炭化，再用均匀的液体（如液相硅）渗入到木炭模板中，最后在稀有气体的保护下高温烧结，随炉冷却后便可得到仿生多孔陶瓷材料。Sun等［14］将钛酸脂渗入到松木炭中，并经过烧结和氧化反应制成了钛化硅陶瓷材料。张荻等［15］将熔融的金属渗入到碳模板中，制备出金属网格互穿结构复合材料，由于金属融入使得木材陶瓷的强度得到了提升，耐久性和稳定性也得到了改良。钱军民等［16］将椴木高温烧制成木炭埋于Si粉中，在1600℃下烧结成多孔SiC，其抗弯强度和抗压强度分别提高了三倍，相比于普通碳化硅陶瓷的气孔率减少了14.3％。马荣等［17］将酚醛树脂作为浸渍液体，浸渍到木材之中，经过加压、固化及高温等过程，制备出了以不同木材为模板的木材陶瓷，实验得出桦木更易于浸渍。

液相渗入反应法制备的原理可分为物理法和化学法两大类。物理法是从水溶液中迅速析出金属盐，然后进行加热分解；化学法是通过化学反应生成沉淀，再进行加热分解。该工艺的优点是力学性能好；缺点是不能很好地保持木材原始的结构形貌，并且其气孔率较低，一般小于30％。

4     气相渗入反应法

气相渗入反应法是将挥发性化合物的蒸汽通过化学反应合成所需物质的方法。李翠艳等［18］采用毛竹为原材料，以高温碳化后的竹炭为模板，采用气相氧化硅进行反应性渗透，生产出了仿生多孔碳化硅陶瓷，其微观结构延续了竹材的孔隙特征。钱军民等［19］将气相氧化硅释放到电阻炉里反应渗入到木炭中，气相氧化硅不断地与木炭内部的碳反应生成SiC，致使碳化硅层不断增厚，最终得到多孔SiC材料。该工艺很好地保留了木炭的微观结构，而且弯曲强度从12.6N/mm2升至41.6 N/mm2，得到了大幅度提升。该工艺的优点是容易控制气孔。由于参加反应的气相化合物具有挥发性，所以容易精制（提纯），生成物的純度也高。缺点是由于其复杂的化学与物理的反应过程，至今还没有一套成型的理论体系。

5     展望

随着仿生多孔陶瓷材料研究和开发的不断深入，其应用也日益广泛。尤其是在空间技术、海洋开发、电子技术、自动控制、能源开发等领域，具有重要的实用价值。未来仿生多孔陶瓷材料的研究和开发呈以下发展趋势。

（1）开发高性价比的仿生多孔陶瓷材料。主要是通过以下几个手段：一是提高产品质量，从细节入手，把控产品质量关，禁止出现偷工减料等行为；二是降低成本，从原料生产和加工效率入手，力求使每个环节保持最大利用率；三是产品创新，坚持以消费者需求为基础进行创新，并最大限度地满足消费者的要求，这样才能较快提高核心竞争力。

（2）重视对于秸秆、甘蔗渣等废弃材料的开发。例如甘蔗渣，它是制糖工业的主要副产品，其化学成分与木材极为相似，资源也相当丰富，但利用率极低［20］，未来像这类材料定会成为热点。

（3）研究和开发功能独特的陶瓷新产品，如吸音陶瓷、柔软陶瓷、夜光陶瓷、防菌陶瓷等［21］，可方便在特殊需求下使用。

（4）大力发展纳米陶瓷材料，因为它不仅能在低温条件下像金属材料随意弯曲而不产生裂纹，而且可以进行机械切削加工，甚至能够做成陶瓷弹簧，可以广泛地应用于医学领域、军事领域。

［参考文献］

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［18］ 李翠艳，黄剑锋，卢靖，等.气相SiO反应渗透制备生物形态SiC多孔陶瓷［J］.陕西科技大学学报，2008（2）：39-42.

［19］ 钱军民，王晓文，金志浩.气相反应渗入法制备多孔SiC的研究［J］.硅酸盐学报，2004，32（4）：497-501.

［20］ 潘建梅，严学华，程晓农，等.甘蔗渣和环氧树脂制备碳木材陶瓷的研究［J］.化工新型材料，2010，38（7）：64-66.

［21］ 薛福连.高科技陶瓷新产品［J］.贵州建材，2003（2）：45-46.

[收稿日期]   2023-01-20

[基金项目]   河北省高等学校科学技术研究项目（QN2020140）；河北省自然科学基金（A2021408004）

[作者简介]   张云霞（1983- ），女，博士，廊坊师范学院建筑工程学院副教授，研究方向：热力学、断裂力学。