下载文档原格式
多孔陶瓷的制备和性能研究陈艳林1 严海标1 冯晋阳2(1湖北工业大学 武汉 430068) (2武汉理工大学硅酸盐实验中心 430070)摘 要 选用普通陶瓷原料粉为主要原料,适当添加造孔剂(有机细粉碳黑)和高温活性剂,制备出一种性能优良的多孔陶瓷。
通过扫描电镜及性能测试分析,探讨了多孔陶瓷的微观结构及性能的影响因数。
关键词 多孔陶瓷 气孔率 微观结构 前言多孔陶瓷是一种新型陶瓷材料,也可称为气孔功能陶瓷,其具有密度低、气孔率高、抗腐蚀、耐高温和使用寿命长等优点,能在较大温度范围内正常使用,适用于饮料、酿酒、医药、食用油、污水处理、石油化工、催化剂载体,以及环保等领域的各种超精密和无菌过滤。
实际上,人们在很早以前就已经开始使用多孔陶瓷材料了。
比如,人们使用活性碳吸附水分、吸附有毒气体,用硅胶做干燥剂,利用泡沫陶瓷做隔热耐火材料。
在热工上利用其多孔、耐热、耐腐蚀等性能,用作隔热材料;在化工中用作催化载体、过滤及分离装置等。
多孔陶瓷成本低廉,制造工艺简单且性能优良,具有广阔的发展空间。
根据使用目的和对材料性能的要求,人们已经成功地开发出多种制造多孔陶瓷的生产工艺,如机械挤出成孔、添加造孔剂、发泡、有机泡沫体浸渍、溶胶-凝胶工艺等。
如果多孔陶瓷要具备匹配的其他性能,尤其是骨架性能,则还需从这种综合陶瓷材料的制备考虑。
笔者利用普通陶瓷原料粉为主要原料,适当添加有机造孔剂和高温粘结剂,用普通烧结方法制备出气孔率大、气孔分布均匀、抗压强度大的多孔陶瓷。
1 实验1.1 实验原料本次实验的原料来源见表1。
表1 实验的原料来源原料名称生产厂家石英(S iO2)湖北蕲春县大同石英砂厂碳酸钙(化学纯)天津博迪化工有限公司碳酸镁(化学纯)天津博迪化工有限公司玻璃粉天津博迪化工有限公司粘 土武汉市信河化工有限公司碳 粉武汉市信河化工有限公司1.2 实验配方及工艺流程在大量实验的基础上优选出石英基多孔陶瓷坯料的配方:石英70%,玻璃粉15%,碳酸钙5%,碳酸镁5%,粘土5%,造孔剂分别选用5%、10%、15%、20%做4组实验。
添加造孔剂法制备多孔陶瓷及其强度与孔径控制一、本文概述多孔陶瓷作为一种具有独特结构和性能的新型无机非金属材料，在过滤、分离、吸附、催化、载体、隔热、降噪、生物医疗等众多领域表现出广阔的应用前景。
其中，孔径大小及其分布、孔的数量、形状和连通性等孔结构参数对多孔陶瓷的性能起着决定性的作用。
因此，如何制备具有理想孔结构的多孔陶瓷材料成为了研究的关键。
添加造孔剂法作为一种制备多孔陶瓷的常用方法，通过引入造孔剂在陶瓷基体中形成孔洞，从而实现对多孔陶瓷孔结构的调控。
本文旨在探讨添加造孔剂法制备多孔陶瓷的工艺流程、影响多孔陶瓷强度和孔径的关键因素，以及如何通过调整制备参数实现对多孔陶瓷强度和孔径的有效控制，为多孔陶瓷的制备和应用提供理论指导和技术支持。
二、添加造孔剂法制备多孔陶瓷的原理添加造孔剂法制备多孔陶瓷是一种常见且有效的制备工艺，其基本原理是在陶瓷原料中加入一定数量的造孔剂，这些造孔剂在陶瓷烧结过程中会燃烧或分解，从而留下大量孔洞，形成多孔结构。
造孔剂的选择和添加量是影响多孔陶瓷孔结构和性能的关键因素。
造孔剂的种类应具有良好的热稳定性，能够在陶瓷烧结温度范围内不发生化学反应或分解，以保证孔洞的均匀性和稳定性。
常用的造孔剂包括炭黑、石墨、有机物等。
造孔剂的添加量决定了多孔陶瓷的孔隙率和孔径大小。
添加量过多，会导致陶瓷体积收缩过大，强度降低；添加量过少，则孔洞数量不足，影响多孔陶瓷的性能。
因此，合理控制造孔剂的添加量是制备多孔陶瓷的关键。
在制备过程中，造孔剂与陶瓷原料混合均匀后，通过成型和烧结工艺形成多孔陶瓷。
成型过程中，造孔剂颗粒随机分布在陶瓷基体中，形成初步的孔结构。
在烧结过程中，造孔剂燃烧或分解，形成大量孔洞，同时陶瓷基体发生致密化，形成最终的多孔陶瓷。
通过调整烧结温度和保温时间等工艺参数，可以进一步控制多孔陶瓷的孔结构和性能。
烧结温度过高或保温时间过长，可能导致孔洞坍塌，降低多孔陶瓷的孔隙率和比表面积；烧结温度过低或保温时间过短，则可能导致陶瓷基体致密化不足，影响多孔陶瓷的强度。
第一章综述1.1 多孔陶瓷的概述多孔陶瓷是一种经高温烧成、体内具有大量彼此相通或闭合气孔结构的陶瓷材料，是具有低密度、高渗透率、抗腐蚀、耐高温及良好隔热性能等优点的新型功能材料。
多孔陶瓷的种类繁多，几乎目前研制生产的所有陶瓷材料均可通过适当的工艺制成陶瓷多孔体。
根据成孔方法和孔隙结构的不同，多孔陶瓷可分为三类：粒状陶瓷烧结体、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷。
根据所选材质不同，可分为刚玉质、石英质、堇青石质、莫来石质、碳化硅质、硅藻土质、氧化锆质及氧化硅质等。
多孔陶瓷材料一般具有以下特性：化学稳定性好，可制成使用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷；具有良好的机械强度和刚度，在气压、液压或其他应力载荷下，多孔陶瓷的孔道形状和尺寸不会发生变化；耐热性好，用耐高温陶瓷制成的多孔陶瓷可过滤熔融钢水和高温气体；具有高度开口、内连的气孔；几何表面积与体积比高；孔道分布较均匀，气孔尺寸可控，在0.05～600µm范围内可以制出所选定孔道尺寸的多孔陶瓷制品。
多孔陶瓷的优良性能，使其已被广泛应用于冶金、化工、环保、能源、生物等领域。
如利用多孔陶瓷比表面积高的特性，可制成各种多孔电极、催化剂载体、热交换器、气体传感器等；利用多孔陶瓷吸收能量的性能，可制成各种吸音材料、减震材料等；利用多孔陶瓷的低密度、低热传导性，可制成各种保温材料、轻质结构材料等；利用多孔陶瓷的均匀透过性，可制成各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混合元件、渗出元件、节流元件等。
因此，多孔材料引起了材料科学工作者的极大兴趣并在世界范围内掀起了研究热潮。
1.2 多孔陶瓷的制备方法多孔陶瓷是由美国于1978年首先研制成功的。
他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材料制成多孔陶瓷用于铝合金铸造中的过滤,可以显著提高铸件质量,降低废品率,并在1980年4月美国铸造年会上发表了他们的研究成果。
此后,英、俄、德、日等国竞相开展了对多孔陶瓷的研究,已研制出多种材质、适合不同用途的多孔陶瓷,技术装备和生产工艺日益先进,产品已系列化和标准化,形成为一个新兴产业。
多孔陶瓷材料的制备及性能研究罗钊明 王 慧 刘平安 曾令可(华南理工大学材料学院 广州 510640)摘 要 从分析网状结构多孔陶瓷材料的孔隙成形机理着手,描述了高孔隙网状结构陶瓷材料的制备工艺,包括高孔隙纤维网状结构陶瓷材料的制备,并分析了多孔陶瓷的力学性能及渗透性能。
关键词 多孔陶瓷 孔隙 制备工艺 力学性能 渗透性多孔陶瓷由于具有均匀分布的微孔或孔洞,孔隙率较高、体积密度小,还具有发达的比表面及其独特的物理表面特性,对液体和气体介质有选择的透过性,能量吸收或阻尼特性,加之陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀、高的化学稳定性和尺寸稳定性,使多孔陶瓷这一绿色材料可以在气体液体过滤、净化分离,化工催化载体、吸声减震、高级保温材料、生物植入材料,特种墙体材料和传感器材料等多方面得到广泛的应用[1]。
孔隙率作为多孔陶瓷材料的一个主要技术指标,其对材料性能有较大的影响。
一般来讲,高孔隙率的多孔陶瓷材料具有更好的隔热性能和过滤性能,因而其应用更加广泛。
1 多孔陶瓷的孔隙研究由于孔隙是影响多孔陶瓷性能及其应用的主要因素,因此在目前比较成熟的多孔陶瓷制备方法的基础上,更加注重通过特殊方法控制孔隙的大小、形态,以提高材料性能,并相应地建立孔形成、长大模型,对孔隙形成的机理进行理论分析。
1.1 多孔陶瓷的孔隙形成机理多孔陶瓷就微孔结构形式可分为:闭气孔结构和开口气孔结构[2]。
闭气孔结构是指陶瓷材料内部微孔分布在连续的陶瓷基体中,孔与孔之间相互分离,而开口气孔结构又包括陶瓷材料内部孔与孔之间相互连通和一边开口,另一边闭口形成不连通气孔两种。
多孔陶瓷的孔隙结构通常是由颗粒堆积形成的空腔,坯体中含有大量可燃物或者可分解物形成的空隙,坯体形成过程中机械发泡形成的空隙以及由于坯体成形过程中引入的有机前驱体燃烧形成的孔隙等。
一般采用骨料颗粒堆积法和前驱体燃尽法均可以制得较高的开口气孔的多孔陶瓷制品,而采用可燃物或分解物在坯体内部形成的气孔大部分为闭口气孔或半开口气孔,采用机械发泡法形成的气孔基本上都是闭口气孔。
第一章综述1.1 多孔陶瓷的概述多孔陶瓷是一种经高温烧成、体内具有大量彼此相通或闭合气孔结构的陶瓷材料，是具有低密度、高渗透率、抗腐蚀、耐高温及良好隔热性能等优点的新型功能材料。
多孔陶瓷的种类繁多，几乎目前研制生产的所有陶瓷材料均可通过适当的工艺制成陶瓷多孔体。
根据成孔方法和孔隙结构的不同，多孔陶瓷可分为三类：粒状陶瓷烧结体、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷。
根据所选材质不同，可分为刚玉质、石英质、堇青石质、莫来石质、碳化硅质、硅藻土质、氧化锆质及氧化硅质等。
多孔陶瓷材料一般具有以下特性：化学稳定性好，可制成使用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷；具有良好的机械强度和刚度，在气压、液压或其他应力载荷下，多孔陶瓷的孔道形状和尺寸不会发生变化；耐热性好，用耐高温陶瓷制成的多孔陶瓷可过滤熔融钢水和高温气体；具有高度开口、内连的气孔；几何表面积与体积比高；孔道分布较均匀，气孔尺寸可控，在0.05～600µm范围内可以制出所选定孔道尺寸的多孔陶瓷制品。
多孔陶瓷的优良性能，使其已被广泛应用于冶金、化工、环保、能源、生物等领域。
如利用多孔陶瓷比表面积高的特性，可制成各种多孔电极、催化剂载体、热交换器、气体传感器等；利用多孔陶瓷吸收能量的性能，可制成各种吸音材料、减震材料等；利用多孔陶瓷的低密度、低热传导性，可制成各种保温材料、轻质结构材料等；利用多孔陶瓷的均匀透过性，可制成各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混合元件、渗出元件、节流元件等。
因此，多孔材料引起了材料科学工作者的极大兴趣并在世界范围内掀起了研究热潮。
1.2 多孔陶瓷的制备方法多孔陶瓷是由美国于1978年首先研制成功的。
他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材料制成多孔陶瓷用于铝合金铸造中的过滤,可以显著提高铸件质量,降低废品率,并在1980年4月美国铸造年会上发表了他们的研究成果。
此后,英、俄、德、日等国竞相开展了对多孔陶瓷的研究,已研制出多种材质、适合不同用途的多孔陶瓷,技术装备和生产工艺日益先进,产品已系列化和标准化,形成为一个新兴产业。
★多孔材料论述★第一章多孔材料概述 (2)1.1 多孔材料的概念 (2)1.2 多孔材料的类型 (2)1.2.1 多孔金属材料 (3)1.2.2 多孔陶瓷材料 (6)1.2.3 泡沫塑料 (10)1.3 结束语 (13)第二章多孔材料的应用 (14)2.1 多孔金属材料的应用 (14)2.2 多孔陶瓷材料的应用 (17)2.3 泡沫塑料的用途 (20)2.4 结束语 (21)第三章多孔金属制备 (22)第四章多孔陶瓷制备 (23)4.1 挤出成型工艺 (23)4.2 颗粒堆积成孔工艺 (24)4.3 添加造孔剂工艺 (24)4.4 发泡工艺 (24)4.5 溶胶-凝胶(Sol Gel)工艺 (25)4.6 冷冻干燥工艺 (25)4.7 多孔模板组织遗传形成气孔的制备工艺 (25)第五章泡沫塑料的制备 (28)5.1 泡沫塑料的发泡原理 (28)5.1.1 泡沫塑料的原材料 (28)5.1.2 发泡方法 (28)5.1.3 气泡核的形成 (28)5.1.4 气泡的长大 (28)5.1.5 泡体的稳定和固化 (29)5.1.6 几种泡沫塑料的发泡成形 (29)5.2 泡沫塑料的成形工艺 (30)★多孔材料论述★第一章多孔材料概述多孔材料普遍存在于我们的周围，在结构、缓冲、减振、隔热、消音、过滤等方面发挥着重大的作用。
高孔率固体刚性，高面密度低，故天然多孔固体往往作为结构体来使用，如本材和骨骼，而人类对多孔材料的使用，则不但有结构方面的．而且还开发了许多功能用途。
本章主要介绍这种重要材料的基本概念和特点。
1.1 多孔材料的概念顾名思义，多孔材料是一类包含大量孔隙的材料。
这种多孔团体材料主要由形成材料本身基本构架的连续固相和形成孔隙的流体相所组成。
其中流体相又可随孔隙中所含介质的不同而出现两种情况，即介质为气体时的气相和介质为液体时的液相。
那么，是否含有孔隙的材料就能称为多孔材料呢?回答是否定的。
比如在材料使用过程中经常遇到的孔洞、裂隙等以缺陷形式存在的孔眩，它们的出现会降低材料的使用性能，这是设计者所不希望的，因而这些材料就不能叫做多孔材料。
