多孔陶瓷：一种功能强大的新型材料
多孔陶瓷：一种功能强大的新型材料
多孔陶瓷是一种具有特殊结构和优异性能的新型材料，广泛应用于环保、建筑、医疗等多个领域。本文将从概念、性能特点、生产工艺到具体应用，全面介绍这种重要的功能材料。
1. 多孔陶瓷的概念
多孔陶瓷材料是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料，经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的多孔性陶瓷材料。
根据成孔方法和孔隙结构，多孔陶瓷可以分为以下3类：
- 粒状陶瓷：气孔率30%～50%
- 蜂窝陶瓷：气孔率70%
- 泡沫陶瓷：气孔率80%～90%
2. 多孔陶瓷的结构与性能特征
多孔陶瓷最大的结构特征就是多孔性。因制造工艺不同，多孔陶瓷的孔结构主要有三种类型：
- 直通气孔：气孔直线贯通，相互之间没有连通或连通较少，如蜂窝陶瓷等用模具挤制形成的气孔
- 闭气孔：气孔互不相通，相互孤立，如发泡法形成而没有破裂贯通的气孔
- 开气孔：气孔相互贯通，且与外界连通，极大多数的开气孔都是弯弯曲曲的，如颗粒烧结法、添加造孔剂法形成的气孔
多孔陶瓷的性能特征包括：
- 均匀的透过性
- 发达的比表面积
- 低密度
- 低热导率
- 低热容
- 优良的耐高温、耐磨损、耐气候性
- 抗腐蚀性
- 良好的刚度
- 一定的机械强度
3. 多孔陶瓷的生产工艺
目前生产多孔陶瓷的方法有：
- 部分烧结法
- 发泡法
- 添加造孔剂法
- 有机泡沫浸渍法
- 溶胶-凝胶法
- 冷冻干燥法
- 模版法
- 凝胶注模法
- 挤压成型法
挤压成型法
挤压是一种塑性变形工艺，可分为热挤压和冷挤压。其过程是将制备好的泥条通过一种预先设计好的具有蜂窝网格结构的模具挤出成形，经过烧结后就可以得到典型的多孔陶瓷。
添加造孔剂工艺法
该工艺是通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用这些造孔剂在坯体中占据一定的空间，高温燃尽或挥发后在陶瓷体中留下孔隙。利用这种工艺可以制备形状复杂、气孔结构各异的多孔陶瓷制品。
冷冻干燥技术
冷冻干燥技术可以制备具有复杂孔洞结构的多孔陶瓷。当陶瓷浆料冷冻凝固时，同时控制晶体冰的生长方向；在低压的条件下进行干燥处理，此时冰升华直接变成气体；再将所得的坯体进行烧结。从而得到具有内部孔洞定向排列的多孔陶瓷。
溶胶-凝胶工艺法
溶胶-凝胶方法可以制备纳米级的微孔陶瓷，它是利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积以及凝胶处理、热处理过程中留下小气孔，形成可控的多孔材料。
自蔓延高温合成(SHS)工艺
燃烧合成，又称自蔓延高温合成用燃烧合成技术制备多孔材料的主要过程是放热反应，化学反应释放出来的热量维持反应的自我进行，合成新物质的同时获得了所期望的多孔材料，包括具有一定形状的多孔材料。
水热－热静压工艺
该工艺通过水作为压力传递介质制备各种孔径多孔陶瓷。其简单制备步骤为：硅凝胶和10%(质量百分数)的水混合，置于高压釜中(压力10—15MPa，温度300℃)，通过水蒸汽的挥发而制成多孔陶瓷。
组织遗传制备工艺
该工艺是利用植物材质(木材、竹子等)的天然多孔组织，将其在800~1000℃下和惰性气体环境中热解碳化得到与木材多孔结构几乎完全相同的碳预制体。
4. 多孔陶瓷的应用
多孔陶瓷材料目前其应用主要集中在以下几方面：
- 建筑材料
- 催化剂载体
- 过滤分离器
- 生物医学材料
- 航天透波材料
- 超纯水的制备和除菌
- 废水处理
- 腐蚀性流体过滤
- 熔融金属过滤
- 吸音材料
- 隐身材料
- 生物工程材料
5. 多孔陶瓷的发展状况及存在缺陷
多孔陶瓷作为一种功能材料，具有广阔的发展前景。然而，其生产成本较高、工艺复杂、孔结构控制难度大等问题仍需进一步解决。随着科技的进步，多孔陶瓷将在更多领域展现其独特的优势。