第3章 2多孔陶瓷制备技术、特点以及应用

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Deng 等将少量的钇添加到ZrO2粉体中，使粉料具有良
好的可塑性，压制成坯后在空气中于1100-1500 ℃烧结得到 ZrO2多孔陶瓷，证实一致的孔隙结构可获得低的导热系数。
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Tulyaganov 等以氧化铝、菱镁矿石粉、高岭土为骨料， 以碱土金属-铝硅酸盐为助熔剂制得具有孔梯度的堇青石基 多孔陶瓷，且其孔隙结构可通过改变烧结时的升温速率进行 有效调节。
第3章 多孔陶瓷的制备技术，特 点及用途
• 3.1 多孔陶瓷的制备技术
• 多孔陶瓷的制备技术有多种，除传统的颗粒堆积法、挤
压成型法、发泡法、造孔剂法、有机泡沫浸渍法溶胶-凝
胶法等外，近年来随着研究的深入，又将自蔓延高温合成、
三维编织等技术引入多孔陶瓷的制备中，形成了一系列制备 多孔陶瓷的新技术。
酸或碱溶液洗涤排除，如NaCl 、Na2SO4、CaSO4等。
采用造孔剂法制备出的多孔陶瓷既具有较高的孔隙率又有较好
的强度，而且孔隙的大小、形状及分布可通过调节造孔剂的多 少及颗粒的大小、形状及分布来控制，操作简便，行之有效。 • GregorovÀ等率先利用粒径约1 mm、表面布满网状结构的
罂粟种子和粒径约50μm 的马铃薯淀粉作造孔剂制备出了具有 孔梯度结构的Al2O3 多孔陶瓷； 上海硅酸盐研究所近年来致力于对造孔剂法的研究，他们以 石墨为造孔剂，并利用3 个原位反应制备出了具有良好抗热震 性能的SiC/ 堇青石多孔陶瓷。发现显孔隙率随着烧结温度和成
的方法，由此而得出的产品通常都具有较高的强度，这是一个
十分诱人的特点。
3 冰冻干燥法 该工艺是利用水基浆料的冰冻作用，同时控制冰生长方 向，并通过减压干燥使冰升华，所得坯体经过烧结，获得具有 复杂孔隙结构的多孔陶瓷材料。 • • 此外还有纤维缠结法，陶瓷纤维缠结法。 影响因素：浆料流动性、稳定性、操作条件等；
为粘结剂，经单螺杆挤出机挤出形成管状坯料，后经干燥脱
水和高温烧结制备出高岭土基多孔陶瓷，并发现材料的渗透
率随着烧结温度的提高而增大。
3.1.4 有机泡沫浸渍法 • 有机泡沫浸渍法是1963 年由美国学者Schwartz walder
等发明的，其原理是利用有机泡沫特殊的三维开孔网状骨架 结构做模板，将陶瓷浆料均匀涂覆在其表面形成涂层，干燥 后烧掉有机泡沫，从而获得具有有机泡沫一次反型结构的多
• 为便于烧结，通常在原料中还要加入适量的粘结剂和 助熔剂。多孔陶瓷的孔隙率仅与骨料的堆积方式有关，而与 骨料的粒径无关，这就使得孔隙率往往不高，因此该法逐渐 被其他制备方法所取代或与其他制备方法结合使用。
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低密度的细磨陶瓷粉末的素坯体通过短时间的焙烧，也 可以获得均匀分布的固态烧结孔隙。对于孔隙尺寸大于 50nm的宏孔材料，可采用传统陶瓷工艺的部分烧结来实现。
3 添加造孔剂法
• 造孔剂法是向陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯 料中占据一定的空间，烧结加工后造孔剂又能除去而形成孔 隙的性质来制备多孔陶瓷。 • 造孔剂可分为两种，一种是在加热过程中易于排出且排
出后在坯体中基本不存在有害残留物，如石墨、NH4Cl 、天
然纤维、淀粉、PMMA 等；
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另一种是在烧结温度下不被排除，但在烧成后可用水、
• 3.1.1 粉末烧结法
• 1 颗粒堆积法 • 颗粒堆积法也称骨料堆积法或固态烧结法，该方法是以 微细粉体为骨料，利用微细粉体易于烧结的特点，在高温时 生成液相并使其相互连接起来。由于每一个微细粉体颗粒仅 在几个点上与其他颗粒相互连接，因而彼此之间存有很多相
互贯通的空隙，在材料冷却后便形成三维的孔隙通道。
• 2 粉末坯体发泡法
• 发泡法是在原料中添加发泡剂，利用发泡剂在热处理时 形成挥发性气体，而产生泡沫的特性来造孔。常用的发泡剂 有碳酸盐、氢氧化钙、硫酸盐和双氧水等。 • 发泡法具有较易获得一定形状、组成和密度的多孔陶瓷
的优点，特别适用于制备闭孔陶瓷。
• 其缺点是工艺较复杂，发泡剂的剂量通常需要靠经验调 节而非精确量化，这就会造成产品性能规格的不一致。
剂和凝胶剂组成。悬浮液中泡沫的产生的方式可以通过机械
法泡、注射气流发泡、热解反应释放气体发泡等。有些气泡 可能收缩或者消失，有些则可以长大。包围气泡的浆料膜可 以保持完整直至稳定，形成闭孔泡沫，也可以破裂，形成部
2 添加造孔剂 在陶瓷浆料中加入可燃性或者挥发性的造孔剂，如混入某 些有机物，聚合物或者炭粉。这些造孔剂在浆料固化后的烧结 过程中被烧除，或者挥发掉，从而在陶瓷体中留下大量的孔隙， 从而得到多孔陶瓷。 利用陶瓷悬浮液进行发泡来制备多孔陶瓷是一种十分经济
孔陶瓷。该方法特别适合制备具有很高显孔隙率的多孔陶瓷
产品孔隙分布均匀，成本低廉，工艺过程简单，很适于工业化
生产。
但是，有机泡沫的烧除会在多孔陶瓷内形成少量碳残留， 从而降低多孔陶瓷的强度；燃烧过程中所产生的有害气体对环 境也会造成污染。 • 常用的有机泡沫材料一般是通过发泡工艺制作的聚合海绵，
3.1.3 挤压成型法 挤压成型法常用于制备单向通道的管状或块状多孔陶瓷， 具体工艺是：将原料粉碎湿磨后制成泥浆，然后由挤出机从 带有蜂窝结构的模具中挤出，或由浇注机浇注到多孔网格模 具中，形成孔隙结构具有设计要求的坯料，最后对坯料进行 干燥和烧结，获得多孔陶瓷。
陈云峰等将高岭土和氧化铝配置为浆料，以多种有机物
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Fuji 等将堇青石粉料与作发泡剂的高分子化合物混合制 备成浆料，在氮气的氛围中采用机械搅拌的方法使其发泡， 并制坯成型，干燥烧结后获得了汽车尾气过滤器使用的多孔
陶瓷。
• Altinkok 等将原料配制成悬浊液而非泥浆，巧妙地利用 水沸腾产生大量气泡的性质造孔，制备出最大孔隙率为95 % 的Al2O3/SiC 多孔陶瓷。
形时的压力增加而降低，但添加少量的Y2O3 可在基本不改变
• 3.1.2 浆料固结法
• 1 浆料发泡法 • 利用陶瓷悬浮液进行发泡来制备多孔陶瓷是一种十分经 济的方法，由此而得出的产品通常都具有较高的强度，这是 一个十分诱人的特点。 • 本法的原理：在陶瓷悬浮剂中产生分散的气相而发泡， 其中悬浮液一般由陶瓷材料、水、聚合物粘结剂、表面活性