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      泡沫陶瓷的應用與前景

      2015年02月06日

      泡沫陶瓷材料概況 隋鶴
      (青島農業大學資源與環境學院 266109)

      【摘要】:泡沫陶瓷材料的發展始于20世紀70年代,是一種具有高溫特性的 多孔材料。其孔徑從納米級到微米級不等,氣孔率在20%~95%之間,使用溫度為常溫~1600℃。泡沫陶瓷一般可以分為兩類,即開孔(網狀)陶瓷材料以及閉孔陶瓷材料,這取決于各個孔穴是否具有固體壁面。如果形成泡沫體的固體僅僅包含于孔棱中,則稱之為開孔陶瓷材料,其孔隙是相互連通的;如果存在固體壁面,則泡沫體稱為閉孔陶瓷材料,其中的孔穴由連續的陶瓷基體相互分隔。但大部分泡沫陶瓷既存在開孔孔隙又存在少量閉孔孔隙。一般來說孔隙的直徑小于2nm的為微孔材料;孔隙在2~50nm之間的為介孔材料;孔隙在50nm以上的為宏孔材料。 引言 自1978年美國發明了利用氧化鋁、高嶺土等陶瓷料漿成功研制出泡沫陶瓷,用于鋁合金鑄造過濾之后,英、日、德、瑞士等國家競相開展了研究,生產工藝日益先進,技術裝備越來越向機械化、自動化發展,已研制出多種材質,適合于不同用途的泡沫陶瓷過濾器,如A12O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等高溫泡沫陶瓷,有的還加入了一定的礦物,如莫來石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等,產品已系列化、標準化,形成了一個新興產業, 其分類如表所示。我國在20世紀80年代初開展泡沫陶瓷研究工作。 近20年來,先后有十幾家科研機構和廠家報道了泡沫陶瓷制品的研究。但是我國的泡沫陶瓷從整體技術水平上與國外相比還有一定的差距。泡沫陶瓷是具有三維空間網架結構的高氣孔率的多孔陶瓷體,其造型猶如鋼化了的泡沫塑料或瓷化了的海泡沫陶瓷的分類材料類型 骨料 耐蝕性 溫度(℃) 高硅質硅酸鹽材料 瓷渣 耐水性,耐酸性 700 鋁硅酸鹽材料 粘土熟料 耐弱堿,耐酸性 1 000 剛玉金剛砂材料 電熔剛玉 耐水性,耐酸性 1 600 硅藻土質 粘土 耐水性,耐酸性 低溫 綿體。由于它具有氣孔率高、比表面積大、抗熱震、耐高溫、耐化學腐蝕及良好的機械強度和過濾吸附性能,可廣泛應用于熱交換材料,布氣材料,汽車尾氣裝置,凈化冶金工業過濾熔融態金屬,熱能回收,輕工噴涂行業,工業污水處理,隔熱隔音材料,用作化學催化劑載體,電解隔膜及分離分散元件等。 近年來,多孔陶瓷的應用領域又擴展到航空領域、電子領域、醫用材料領域及生物化學領域等。多孔陶瓷的廣泛應用已引起了全球材料界的高度重視,因此,制備高強度、孔徑均勻、性能穩定、高度有序的泡沫陶瓷體,拓寬和開發泡沫陶瓷在國內各行業中的應用,無疑是十分必要的。
      一、泡沫陶瓷的功能特點 1、過濾與分離 作為過濾材料。多孔陶瓷具備很多優點:化學穩定性好。耐酸堿及有機溶劑;極好的耐急冷急熱性能,一般工作溫度可達1 000℃—1 lOO℃,特殊材料的多孔陶瓷.最高時工作溫度可達1600℃;抗菌性能好。不易被細菌降解,不易堵塞而且易生;無毒。尤其適用于食品行業和藥物的處理。可廣泛應用于各種液體過濾和氣體過濾,在空氣凈化、工業用水、生活用水處理和污水凈化等方面。廢氣和廢液中常常含有一些有毒有害的物質。比如汽車尾氣和發電廠煙氣中的煙塵,半導體工業廢水中的重金屬元素等都是重要的環境污染源。如果不加以處理。則會造成酸雨、河流和土壤的污染等嚴重后果,影響人類的生存環境。所以環境保護成為時代的主題。各種廢氣、城市生活污水和工業廢水都需要進行相應的過濾和分離才能排放到自然環境中。讓廢氣或廢液通過泡沫的陶瓷體,其中的有害物質顆粒物就會被攔截或者吸附在泡沫結構中.而凈化后的氣體或液體就可以排放到自然界中了。這方面的一個典型應用就是柴油機尾氣過濾。在城市中。大量公交車都是采用柴油機發動的,但是柴油因為燃燒不完全,在尾氣中存在數量巨大的微細碳粒.這也就是我們常常看到的公交車行駛中排放的“黑煙”。這些顆粒物如果被人體吸入就會產生各種呼吸道疾病。柴油車高溫廢氣的除塵也是多孔陶瓷的一個應用典范。在發達國家利用多孔陶瓷除塵是一種最新、最有效的高溫煙氣除塵技術。我國有電廠幾百座,工業鍋爐幾十萬臺。每年排放的煙塵高達一億t以上。造成嚴重的環境污染問題。如果采用泡沫陶瓷除塵將帶來巨大的環保效益。利用泡沫陶瓷具備高孔隙度且擁有相當大的熱交換面積及具有良的熱輻射特性不僅可以有效除去高溫含塵氣體。還可節約能源。此外,泡沫陶瓷還可做成光觸媒載體.在泡沫陶瓷載體上涂覆納米二氧化鈦。受紫外線激發,具有強烈的光催化氧化降解特性。可催化降解有機物和微生物,從而凈化空氣等。再如用泡沫陶瓷替代目前國內水處理行業使用的石英砂過濾材料后.可大幅提高水處理效率,減少環境污染,降低水處理成本。例如,除臭用泡沫陶瓷催化器能使廢水中有機溶劑、惡臭氣體催化燃燒,達到除臭凈化的目的;城市污水處理過程中,泡沫陶瓷材料也成為曝氣處理所用材料。泡沫陶瓷則扮演“環境凈化使者”的角色。 2、隔熱 泡沫陶瓷的較高的氣孔率和較低的基體導熱系數。使其具有熱傳導率低、抗熱震性能優良等特性.所以這種材料具有很好的隔熱保溫效果。利用這種優點可以將其用于各種防止熱輻射的場合,以及用于保溫節能方面。因此從環保和節能兩方面來說都是有利的。例如,當冬天或者夏天我們在室內打開空調的時候就需要房屋具有良好的隔熱能力,否則室內溫度的調節就很難實現,如果房屋的隔熱效果很差。那就像開著門窗讓空調工作一樣,基本上不能達到調節溫度的效果。而且因為空調不停地工作而帶來了電能的巨大消耗。使用泡沫陶瓷制備的建筑材料就可以使房屋具有非常好的保溫隔熱效果.種先進的材料目前在國內部分新建的住宅小區和辦公樓中已經得到應用。除了日常生活中的應用.泡沫陶瓷在航空航天領域也有著重要的應用,比如航天器的熱保護系統就廣泛采用了泡沫陶瓷材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐熱材料為耐熱磚,其材質有ZrO:、SiC、鎂鹽及鈣鹽等,使用溫度高達1 600度,是目前世界上最好的隔熱材料,稱之為“超級絕熱材料貫通的網狀小孔結構,當聲波傳播到泡沫陶瓷上時,引起孑L隙中的空氣振動,并與陶瓷筋絡發生磨擦,由于粘滯作用,聲波轉換為熱能而消耗。從而達到吸收噪音的效果。現在已經得到應用的包括安裝在汽車排氣管中間的泡沫陶瓷,用來減少汽車排氣管的噪音。一些新型建筑材料也廣泛采用泡沫陶瓷作為墻體材料,實踐證明可以達到非常好的隔音效果。目前有人正在研究把泡沫陶瓷作為一種降音隔聲屏障用于地鐵、隧道、影院等有較高噪音的地方,效果很好。近年來,隨著越來越多的高等級公路建成通車,交通噪聲的污染日益突出,走在城市的街道上,可以聽到來自于汽車排氣管、飛機以及空調壓縮機工作等造成的各種讓人心煩的噪聲。而這一切其實都可以通過應用泡沫陶瓷得以緩解,甚至消除。目前。發達國家如美國、日本、德國和澳大利亞等采用新型材料~泡沫陶瓷修建的高架橋和高速公路的消聲隔音屏障,取得非常好的降嗓效果。聲屏障設置的目的是隔聲降噪,因此,在聲屏障的設計中除了要求有一定的隔聲量外,還需借助材料本身的吸聲性能來減少噪聲福射強度。在選擇吸聲材料時首先要滿足在任何氣候和室外環境,都不會改變其原有的聲學特性,其次還要求有較高的強度、經久耐用、耐污染、美觀,易于施工和維護,防火防潮等特性。泡沫陶瓷能夠滿足以上要求.特別適宜在高溫、潮濕的環境下使用,能經受風吹、日曬、雨淋和水浸,具有比較穩定的力學性能和良好的吸聲性能。因此,開展泡沫陶瓷聲屏材料的研究.為開發聲學性能良好、重量輕、易于安裝維護的公路聲屏障吸聲材料具有重要的實用價值。由于泡沫陶瓷具有很多優良的特性,及人們對生存環境改善與對綠色環保的要求越來越強烈,使得具有環保特性的各種新型泡沫陶瓷材料日益受到人們的青睞。而如何簡化生產工藝、降低成本、提高效益,不斷發明新的技術和工藝來制備功能強大、性能優異的環保泡沫陶瓷材料正成為當今材料科
      技工作者積極思考的課題。 二、泡沫陶瓷的應用 泡沫陶瓷在19 世紀70 年代發展初期,僅僅作為細菌過濾材料加以使用。隨著制備技術的發展,人們控制材料多孔結構水平顯著提高,同時各種新材質高性能泡沫陶瓷材料的不斷出現極大地拓寬了多孔陶瓷地應用范圍。 1、過濾器 泡沫陶瓷過濾器由于具有過濾面積大,熱震穩定性好、化學穩定性高和良好的抗金屬沖刷性能以及過濾效率好的特點,因此在金屬熔體過濾凈化技術中,作為一種新型高效過濾器,得到了人們的重視。目前,它們的應用擴大到包括熔模精密鑄造、鋼鑄造工業及工業鑄件等方面,以提高鑄件的機械性能、降低鑄件廢品率、提高鑄件工藝出品率、延長金屬切削加工刀具壽命等。
      泡沫陶瓷材料概況
      4 2、催化劑載體 泡沫陶瓷具有良好的吸附能力和活性。被覆催化劑后,反應流體通過泡沫陶瓷孔道,將大大提高轉化效率和反應速率。由于泡沫陶瓷具有比表面積高、熱穩定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特點,作為汽車尾氣催化凈化器載體已被廣泛使用[26]。將泡沫陶瓷汽車尾氣催化器安裝在汽油車排氣管中,可以使汽油車排出的CO、NO有害氣體轉化成CO2、H2O、N2,轉化率可達90% 以上;用在柴油車上,碳粒凈化率在50% 以上。當泡沫陶瓷濾芯積滿碳粒時,可以采用催化氧化法或電控燃燒法再生,達到長期使用的目的。除了作催化劑載體外,它還可以作為其它功能性載體, 例如藥劑載體,微晶載體,氣體 儲存等。

      3、節能隔熱材料 在泡沫陶瓷中由于閉氣孔的存在,降低了其放熱效率,減少了熱傳播過程中的對流,使泡沫陶瓷具有熱傳導率低、抗熱震性能優良等特性,是一種理想的耐熱材料 目前,世界上最好的隔熱材料正是這類泡沫陶瓷材料,傳統的窯爐和高溫電爐的內襯就多為泡沫陶瓷。它還被廣泛用于航天飛機的外殼隔熱。泡沫陶瓷具有巨大的比表面積,在高溫條件下,由于熱交換面積大,可用作換熱材料。如把泡沫陶瓷體放在加熱爐煙道口,爐內高溫氣體可以通過泡沫陶瓷進入煙道,同時把陶瓷體加熱到接近爐內溫度。此時,泡沫陶瓷向爐內輻射熱能,減少熱能散失。據有關資料介紹,可節能30%。另外,作為核工業隔熱材料使用,不會因為核輻射而降低隔熱性能。總之,泡沫陶瓷做為隔熱和換熱材料,節能效果顯著。 4、吸聲材料 由于泡沫陶瓷從表面到內部具有的三維貫通的網狀微孔結構,它可以使吸進的聲波在孔隙中振動空氣,從而與陶瓷體網絡發生摩擦,通過粘滯作用使聲波轉變為熱能而消耗,起到靜音效果。泡沫陶瓷具有吸音的功能,可用于隧道、地鐵、影劇院、錄音室等需要靜音的環境,以及高架橋、建筑施工現場、露天變壓器等高噪音場合。由于此類陶瓷可耐氣候變化,抗熱、抗震和抗腐蝕,能忍受風吹、日曬、雨淋的侵蝕而不改變網狀結構,同時,對其表面美化處理后不會影響其吸音效果,因而具有很好的應用前景。

      5、生物材料 多孔羥基磷灰石生物陶瓷的研究和應用,在生物材料工程界引起極大關注。這是因為羥基磷灰石陶瓷與人體__骨骼、牙齒無機質的成分的成分基本相同,將其植入人體后,無排斥反應,具有良好的生物活性和相容性。它能誘發新骨的生成,使人體保持正常的新陳代謝,是一種理想的人體骨替代材料。用添加增孔劑等制作泡沫陶瓷的方法,制備多孔羥基磷灰石生物陶瓷,利用其相互連通的孔隙有利于組織液的微循環,促進細胞的滲入和生長。國外利用泡沫生物陶瓷修復頭蓋骨、大腿骨、脊椎骨、人造齒根等臨床實驗均已獲成功。

      6、燃燒器 泡沫陶瓷材料近來的又一個用途是作為多孔介質燃燒器。具有良好熱交換性的泡沫陶瓷材料可以降低火焰溫度,惰性泡沫陶瓷表面內或在接近多孔陶瓷表面處進行預混合燃燒可以節省能量,能顯著降低CO2 和NO2的排放。同時該種燃燒器可以使用多種燃料,有廣泛的適應性。

      7、擴散、滲透和吸附方面的應用 利用電滲透現象,可作為電解法生產雙氧水的隔膜,提高電池壽命。應用泡沫陶瓷作一次電池、二次電池、堿性電池、熔鹽電池和嫩料電池的隔膜,可以明顯的提高電池的壽命。用微孔陶瓷可制作土壤鹽分、水分測量傳感器。利用泡沫陶瓷均勻分布的氣孔,對氣焊時回火的氧- 乙炔混合可燃氣體有阻燃止火作用,可作阻燃止火器。還可根據氣孔對高速高能噪音阻滯、耗損作用制成泡沫陶瓷消聲器。除了上述用途之外,泡沫陶瓷還
      可以做成傳感器,微孔膜,化工塔填料,布氣材料,煤氣灶節能燃燒板等。

      三、制造工藝 1、傳統制造工藝

      1.1 發泡法 發泡法采用發泡反應的方法,可以制備形狀復雜的泡沫陶瓷制品,以滿足一些特殊場合的應用;在陶瓷粉料中加入適當的陶瓷纖維,可改善這一工藝,有效增加坯體在燒結過程中的強度,避免粉化和塌陷。

      1.2 溶膠凝膠法 溶膠凝膠法主要用來制備孔徑在納米級的微孔陶瓷材料,本方法經改進后也可以制備高規整度泡沫陶瓷材料。運用溶膠凝膠技術制備泡沫材料,在溶膠向凝膠的轉化過程中,體系的粘度迅速增加,從而穩定了前期產生的氣泡,有利于發泡 。

      1.3 添加造孔劑法 添加造孔劑法通過在陶瓷配料中添加造孔劑,利用造孔劑在坯體中占據一定的空間,然后經過燒結,造孔劑離開基體而形成氣孔來制備泡沫陶瓷 。造孔劑顆粒的形狀和大小決定了泡沫陶瓷材料氣孔的形狀和大小。其成型方法主要有模壓、擠壓、等靜壓、軋制、注射和粉漿澆注等。利用這種方法可以制得形狀復雜、氣孔結構各異的材料,但氣孔分布的均勻性較差。

      1.4 有機前驅體浸漬法 有機前驅體浸漬法目前泡沫陶瓷最理想的制備方法是有機前驅體浸漬法,其工藝流程如圖所示。用此種成型方法制備的泡沫陶瓷已在多個領域廣泛應用,取得了較為明顯的效果。進一步控制漿料性能,適當優化無機粘結劑體系,并嚴格控制漿料浸漬等工藝過程,可以提高泡沫陶瓷制品的性能。陶瓷粉料溶劑、添加劑->漿料制備有機泡沫體選擇―>預處理 ==>浸漬處理->除去多余漿料->干燥->排除有機泡沫->燒成但是有機前驅體浸漬法工藝存在一個明顯的缺陷,即制品的孔隙結構,尤其是孔徑取決于所選有機泡沫體的孔隙結構和孔徑大小。而目前所選用的有機泡沫體的網眼尺寸是有限的,制約了所得泡沫陶瓷材料的孔徑和結構。朱新文等采用三維網狀有機泡沫為載體,先用浸漬工藝制備出高孔隙率且幾乎沒有堵孔的網眼坯子,經排塑、預燒處理獲得具有一定強度的預制體。預制體的孔棱呈疏松多孔結構,很好地解決了這個問題。

      1.5固相燒結工藝 固相燒結工藝利用微細顆粒易于燒結的特點,在骨料中加入相同組分的微細顆粒,在一定的溫度下微細顆粒通過蒸發和遷移,在大顆粒連接部燒結,從而將大顆粒連接起來。由于每一粒骨料僅在幾個點上與其他顆粒發生連接,因而在燒結體中形成大量的三維貫通孔道

      1.6擠出成型工藝 擠出成型工藝是制造具有蜂窩狀多孔陶瓷(即蜂窩陶瓷)的最普遍采用的方法之一。該工藝的流程為:原料合成→混練→擠出成型→干燥→燒成→成品。該工藝制成的多孔陶瓷體氣孔尺寸、形狀和孔隙率均勻,適宜批量生產,但難以制造小孔徑制品是這項工藝的缺陷。在在生產過程中,核心工序之一是擠出成型,同時擠出成型模具又是擠出成型的核心技術。該類工藝的優點在于可以根據需要對孔形狀和孔大小進行精確設計,其缺點是不能成形復雜孔道結構和孔尺寸較小
      的材料,同時對擠出物料的塑性有較高要求。

      2、新興制造工藝

      2.1凝膠注模工藝 凝膠注模工藝美國橡樹嶺國家實驗室首次提出了凝膠注模工藝 (Gel-casting),它是一種被廣泛應用的新型成型方法。這種新的成型技術采用非孔模具,利用料漿內部或少量添加劑的化學反應使陶瓷料漿原位凝固形成坯體,獲得具有良好微觀均勻性和較高密度的素坯,從而顯著提高材料的可*性。Gel-casting工藝可以使懸浮體泡沫化,而且能使液體泡沫原位聚合固化。作為制備多孔陶瓷的一種新型方法,懸浮體泡沫化是最經濟的,原位聚合固化所形成的素坯具有內部網狀結構,強度較高。

      2.2 自蔓延高溫合成工藝 自蔓延高溫合成(Self-propagatingHigh-tempera-tureSynthesis,SHS)方法的概念是由前蘇聯科學家A.G.Mazhanov在1967年首先提出來的。SHS的本質是一種高放熱無機化學反應,其基本反應過程是:向體系提供必要能量(點火),誘發體系局部產生化學反應,此后,這一化學反應過程在自身放出的高熱量的支持下繼續進行,最后將燃燒(反應)波蔓延到整個體系,從而制備出所需的陶瓷材料。材料的SHS技術以其高效、節能、經濟和所得材料的良好性能特點而倍受重視。另外,SHS反應產物通常具有很高的孔隙率,用這一特點可用來制備具有多孔連續網絡結構的陶瓷材料,通過添加造孔劑可進一步提高產物的連通開放孔隙率。此外,還有諸如泡沫前體反應法、有機泡沫堆積法、顆粒堆積工藝、水熱-熱靜壓工藝、微波加熱工藝、分相濾出法、固-氣共晶法、木材熱解構架法等泡沫陶瓷制備方法。
      2.3顆粒堆積成孔工藝 依靠粗顆粒堆積,顆粒結合部形成多孔結構。粗的顆粒靠細粒熔化粘合,也可以加入易熔的粘結劑結合。這種工藝可通過調整顆粒級配對孔結構進行控制,制品的孔隙率一般為20% ~ 30% 左右,在原料中加入碳粉、木屑、淀粉等成孔劑,高溫下使其揮發可將整體孔隙率提高至75% 左右 2.4 冷凍干燥工藝 這種基于冷凍原理的獨特的陶瓷制備工藝可以制備具有復雜孔結構的多孔陶瓷。其原理是在陶瓷料漿冷凍的同時,控制晶體冰單向生長,在低壓條件下進行干燥處理,此時溶劑冰升華而排出,坯體中形成定向排布的孔結構,之后進行燒結。該工藝的特點是坯體燒成收縮小、燒成控制簡單、孔結構可設計性強、制品機械強度相對較好。Takayukki Fukasawa 等[17] 以水為溶劑,制備出同時含有宏觀氣孔和微觀氣孔的復合孔結構氧化鋁陶瓷,制備過程中對環境不產生污染,顯示出良好的環境友好性。該工藝也可用于制備其他多孔材料,具有廣闊的發展前景。 2.5 孔梯度制備方法 孔梯度陶瓷是指孔徑隨厚度作有規律地縮小或增大的陶瓷材料,按孔的分布狀況可分為連續孔梯度陶瓷和階梯狀孔梯度陶瓷。孔梯度多孔陶瓷的制備方法主要有致孔劑梯度排列法、有機前驅體浸漬法以及沉淀生成法等。致孔劑梯度排列法是將混有不同粒徑致孔劑的骨料按致孔劑粒徑從大到小的順序一層一層的平鋪在模具內,經過壓制成型、干燥和燒成而制得孔梯度多孔陶瓷。有機前驅體浸漬法是將不同孔徑的有機前驅體分別浸入陶瓷漿料中,然后按孔徑從大到小的順序疊放在一起,經干燥燒成即可得到孔梯度多孔陶瓷。沉淀生成法是將改性的不同粒度的致孔劑粉末置人同一陶瓷漿料中,會出現共同沉淀,由于不同粒度致孔劑的沉淀速率不同,可以獲得不同粒度的致孔劑組分連續變化的沉積層,經干燥、成型、燒結即可獲得具有孔梯度的多孔陶瓷。最近,出現了利用離心燒結技術制備孔梯度多孔陶瓷的報道它是利用離心力使孔梯度沿徑向線性變化。 四、未來應用熱點行業: 1 微孔膜陶瓷分離膜所具有的耐酸堿、耐侵蝕、耐高溫、抗老化、使 用壽命長等優點已被人們所認識,并被開發應用于食品工業、生物化工、能源工程、環境工程、電子技術等許多領域 。隨著材料科學的發展,納米級多孔無機膜的制備和應用成為人們目前研究的熱點。 2 生物材料目前很多科研單位都在致力于多孔羥基磷灰石生物陶瓷材料的研究。用添加造孔劑和制作泡沫陶瓷的方法制備多孔羥基磷灰石生物陶瓷,其相互連通的孔隙有利于組織液的微循環,促進細胞的滲入和生長。目前,研制出的泡沫陶瓷羥基磷灰石人工骨和義眼已經用于臨床實驗,引起了醫學界和材料學界的關注。 3 食品、衛生行業用泡沫陶瓷材料泡沫陶瓷由于具有耐高溫、耐腐蝕和良好的生物、化學特性,因而可用于醫藥工業中的酶、病毒、疫苗、核酸、蛋白質等生理活性物質的濃縮、分離、精制等。在食品、飲料工業中,特別適用于對色、香、味要求高的飲料及低度酒類的過濾,并可望在啤酒的生產中發揮巨大的作用。 4 環境材料隨著現代工業的發展,各行各業在生產中排放的有害氣體和廢水也越來越多,如果處理不當,就會嚴重影響人類的生存環境,所以環境保護成為時代的主題。泡沫陶瓷在汽車催化轉化器的應用已經有很長時間。除臭用泡沫陶瓷催化器能使廢水中有機溶劑、惡臭氣體催化燃燒,達到除臭凈化的目的。采用耐高溫且有足夠強度的抗熱震性能的高滲透性泡沫陶瓷可有效除去高溫含塵氣體。城市污水處理過程中,泡沫陶瓷材料也成為曝氣處理所用材料。 5 隔熱材料泡沫陶瓷具有熱傳導率低、抗熱震性能優良等特性,是一種理想的耐熱材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐熱材料為耐熱磚,其材質有Zr02、SiC、鎂鹽及鈣鹽等,使用溫度高達1600℃,是目前世界上最好的隔熱材料,稱之為“超級絕熱材料”,被應用于航天飛機外殼的隔熱及導彈頭的強迫發汗等。 五、問題及展望 泡沫陶瓷的研究與開發已經受到人們的普遍關注,許多應用在技術上已經成為可能。近年來隨著泡沫陶瓷制備工藝和性能等各方面的進展,以及泡沫陶瓷在更廣泛領域的應用,取得了巨大的經濟和社會效益;同時,在航空航天、軍事裝備、金屬陶瓷復合材料等新的應用領域,對泡沫陶瓷材料的需求更加迫切,并且對其性能提出了更高的要求。為了更好的利用泡沫陶瓷材料,存在的一些問題我們也絕對不能忽視。首先,通過優化工藝配方和工藝過程,制備高孔隙率高強泡沫陶瓷材料,提高材料氣孔均勻性。氣孔率和孔徑是泡沫陶瓷材料的主要微孔性能指標,在滿足其它強度的情況下,適當提高材料的氣孔率,可以大幅度提高材料的透氣性能,降低單位面積材料的流體透過阻力,提高過濾效率。為此可以通過在泡沫陶瓷基體中引入陶瓷纖維,或通過采用編制陶瓷纖維利用化學氣相沉積技術來制備高孔隙率、高強的陶瓷纖維復合泡沫陶瓷材料。其次,應加強多功能性泡沫陶瓷復合材料的研究。 現有的泡沫陶瓷材料功能單一,尤其用做過濾材料的泡沫陶瓷材料,其過濾機理基本以物理過濾為主,今后若能采用陶瓷材料復合技術或嫁接技術制備一些多功能性陶瓷材料,如采用納米抗菌功能材料與微孔制備技術結合,研制開發具抗菌和凈化功能的微孔陶瓷材料;采用陶瓷—金屬復合技術,制備具有選擇吸收、催化功能的泡沫陶瓷材料;采用無機和有機材料復合技術制備其他一些電傳導膜、生物反應膜等,這對擴大泡沫陶瓷材料的應用范圍有重要意義。 最后,應加大泡沫陶瓷材料的應用技術研究。目前國內從事泡沫陶瓷材料研究工作者大多數只注重于材料本身性能的研究,而缺乏對材料應用性能的研究。事實上,泡沫陶瓷的應用技術,包括過濾技術、材料的清洗再生技術、過濾系統的優化等是一門很深的學問,泡沫陶瓷材料推廣應用一方面取決于材料本身優良的性能,而另一方面更大程度取決于材料應用技術水平的提高。因此,要提高我國的泡沫陶瓷材料的產業化水平,就必須加強材料應用性能的研究,建立相應的應用研究平臺,并加強企業和研究單位之間的技術交流與合作。綜上所述,要研制各方面性能優良的泡沫陶瓷材料,還需要廣大科研工作者和企業共同努力。總之,在以后的工作中,我們要發揮優勢、突出重點,結合目前國內泡沫陶瓷材料發展實際狀況和需求,重點開發陶瓷微過濾材料、陶瓷膜過濾材料、高溫氣體過濾材料及高溫氣體催化分離材料及裝備技術,以滿足目前國內能源、化工、環保和水處理行業的需要,提高國內的過濾與分離技術水平。

      來源:萍鄉市恒昌化工新材料有限公司
      萍鄉市恒昌化工新材料有限公司
      曾潔
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