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泡沫陶瓷的制备工艺及研究进展

杏耀-杏耀娱乐-杏耀主管_杏耀平台代理 时间:2019年12月02日 11:54

  泡沫陶瓷是一种无机非金属材料,是以陶瓷原矿、页岩、陶瓷工业废渣、粉煤灰、煤矸石、大理石尾矿、炉渣等等无机材料作为主要原料,掺加一定比例的发泡剂、助溶剂等物质,经混合、制粉、填料工艺,再经高温焙烧而成的高气孔率的陶瓷材料[1]。

  泡沫陶瓷具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点,被广泛应用于隔热隔音材料、工业污水处理、汽车尾气处理、电工电子领域、医用材料领域以及生物化学领域。

  泡沫陶瓷的气孔率为70%~90%,对多孔陶瓷来说,这是最高的。蜂窝陶瓷的气孔率约为60%,陶瓷颗粒烧结体的气孔率约为30%~50%。

  泡沫陶瓷的强度主要依赖于陶瓷材质和网络骨架的粗细。骨架的粗细可以用泡沫陶瓷的体积密度来表示。若使骨架变粗可以提高体积密度,增加制品的机械强度。但提高得过多,气孔孔隙会被料浆堵塞,压力损失变大。

  当泡沫陶瓷作为熔融金属的过滤材料时,由于其使用于温度骤变的场合,必须具有良好的抗热震稳定性。另外,由于金属熔体的粘度、密度及流动性不同,应选择不同大小的滤板网眼孔径。泡沫陶瓷的网眼孔径一般可控制在0.3~3mm范围内,通常分为粗、中、细孔三个等级[2]。

  按孔隙之间关系分,泡沫陶瓷可分为闭口气孔和开口气孔,这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中,则称之为开孔陶瓷材料,其孔隙是相互连通的;如果存在固体壁面,则泡沫体称为闭孔陶瓷材料,其孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔,因此也决定其使用场所不同。

  按陶瓷材质分,泡沫陶瓷可分为硅藻土质材料、铝硅酸盐材料、高硅质硅酸盐材料、陶质材料、刚玉和金刚砂材料以及氧化锆材料。

  硅藻土质材料主要以精选硅藻土为原料,加黏土烧结而成,用于精滤水和酸性介质中;铝硅酸盐材料以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线石和合成莫来石质颗粒为骨料,具有耐酸性和耐弱碱性,使用温度达到1000℃;高硅质硅酸盐材料主要以硬质瓷渣、耐酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料生产,具有耐水性和耐酸性,使用温度达700℃;陶质材料的组成接近高硅质硅酸盐材料,是一种主要以多种黏土熟料颗粒与黏土等混合而得到的微孔陶瓷材料;刚玉和金刚砂材料以不同型号的电熔刚玉和碳化硅颗粒为骨料,具有耐强酸、耐高温特性,耐高温可达1600℃;氧化锆材料基本材质是氧化锆ZrO2,具有高的强度和高温冲击力,耐热温度高于1700℃[3]。

  添加造孔剂法是通过在陶瓷配料中添加造孔剂,利用造孔剂在坯体中占据一定的空间,然后经过烧结,造孔剂离开基体而形成的气孔来制备泡沫陶瓷[3]。造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫陶瓷材料的气孔和大小。其成型方法主要有模压、挤压、等静压、注射和粉料浇注等。

  利用这种方法可制得形状复杂的泡沫陶瓷制品,但制品气孔的分布均匀性较差。造孔剂在加热过程中要易于排除,造孔剂的种类和加入量是该方法的关键。造孔剂可分为有机造孔剂和无机造孔剂两种,碳酸铵、碳酸钙、氯化铵、碳酸氢铵等高温可分解盐类及各类碳粉、煤粉等属于无机造孔剂;天然纤维、高分子聚合物和有机酸等属于有机造孔剂[4]。

  发泡法是陶瓷组分添加有机或无机化学物质,通过化学反应等产生挥发性气体,产生泡沫,经干燥和烧结制成泡沫陶瓷[3]。用作发泡的化学物质主要有:碳化钙、氢氧化钙、铝粉、硫酸铝、双氧水;由亲水性聚氨酯塑料和陶瓷浆料同时发泡制作泡沫陶瓷;用硫化物和硫酸盐混合发泡剂等。

  该方法的优点是可以制备出形状复杂的泡沫陶瓷制品,以满足一些特殊场合的应用。缺点是发泡反应法成型泡沫陶瓷工艺较复杂,不易控制。

  有机泡沫浸渍法是Schwartzwalder在1963年发明的,该方法利用有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构,将制备好的料浆均匀地涂覆在有机泡沫网状体上,干燥后烧掉有机泡沫体从而获得一种网眼多孔陶瓷[2]。

  该方法通过控制浆料性能,优化无机粘结剂体系,严格控制浆料浸渍工艺过程,可以制备高性能的泡沫陶瓷制品。但是有机前驱体浸渍法工艺存在一个明显的缺陷,即制品的孔隙结构尤其是孔径取决于所选有机泡沫体的孔隙结构和孔径大小。而目前所供选用的有机泡沫体的网眼尺寸是有限的,这在一定程度上制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径和结构[5]。

  溶胶-凝胶法是运用溶胶-凝胶技术制备泡沫材料,在溶胶向凝胶的转化过程中,体系的黏度迅速增加,从而稳定了前期产生的气泡,有利于发泡。此方法主要用来制备孔径在纳米级、气孔分布均匀的微孔陶瓷材料,并且通过改进可以制备高规整度的泡沫陶瓷材料;但该工艺的缺点是制品形状受到一定限制[6]。

  自蔓延高温合成法的概念是由前苏联学家A.G.Mazhanov在1967年首先提出来,是一种高放热无机化学反应,其基本反应过程是:向体系提供必要能量,诱发体系局部产生化学反应,这一化学反应过程在自身高热量的支持下继续进行,最后将燃烧波蔓延到整个体系[4]。

  该方法制得的陶瓷材料孔隙率是较高的,并且具有连续的网格结构;但是该方法无法控制化学反应的速率,这导致该工艺无法控制所需制品的尺寸。

  美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺,它是一种被广泛应用的新型成形方法。这种成形技术采用非孔模具,利用料浆内部或少量添加剂的化学反应作用从而使陶瓷料浆原位凝固形成坯体,获得具有良好微观均匀性和形状的坯体,从而显著提高材料的可靠性。工艺可以使悬浮体泡沫化且能使液体泡沫原位聚合固化[3]。

  冷冻干燥法是在将陶瓷浆料冷冻结冰过程中控制晶体冰的单向生长,在干燥过程中通过减压使冰直接升华排出而在坯体中形成定向排布的多孔结构,经煅烧后即可得到泡沫陶瓷。该方法坯体成型干燥收缩小,烧成控制简单,可制得高气孔率、孔结构复杂的多孔陶瓷制品,而且不会对环境造成污染[6]。

  依靠粗颗粒堆积,颗粒结合部形成多孔结构。粗的颗粒靠细粒熔化粘合,也可以加入易熔的粘结剂结合。这种工艺可通过调整颗粒级配对孔结构进行控制,制品的孔隙率一般为20%~30%左右,在原料中加入碳粉、木屑、淀粉等成孔剂,高温下使其挥发,可将整体孔隙率提高至75%左右[7]。

  泡沫陶瓷具有良好的吸附能力和活性,被覆催化剂后,反应流体通过泡沫陶瓷孔道,将大大提高转化效率和反应速率。由于泡沫陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特点,作为汽车尾气催化净化器载体已被广泛使用[7]。此外,除臭用泡沫陶瓷催化器能使废水中有机溶剂、恶臭气体催化燃烧,达到除臭净化的目的,采用耐高温且有足够强度的抗热震性的高渗透性泡沫陶瓷可有效地除去高温含尘气体中的杂质。

  泡沫陶瓷可作为过滤器用于水处理中,泡沫陶瓷可以替代目前国内水处理行业中使用的石英砂过滤材料,可大幅度提高水处理效率,减少环境污染,降低水处理成本。杏耀登录地址泡沫陶瓷的过滤是集吸附、表面过滤和深层过滤于一体的,且以深层过滤为主的一种过滤方式。泡沫陶瓷因具有耐腐蚀的优良性能,可大量用于污水处理用布气装置。此外,泡沫陶瓷还可以过滤工业中的废气。

  随着社会的发展和生活水平的提高,人们对工作、学习和生活环境中声音的要求越来越高。泡沫陶瓷具有大量三维空间网络结构的孔隙,声波传入多孔体内部后,引起孔隙中的空气产生振动并使陶瓷筋络发生摩擦。由于粘滞作用,声波转变为热量而消失,从而达到吸收声音的效果。泡沫陶瓷可用于隧道、地铁、影剧院、录音室等需要静音的环境,以及高架桥、建筑施工现场、露天变压器等高噪音场合。

  泡沫陶瓷用作吸声材料具有一系列优点:重量轻、强度高、中低频吸声性能优良、安全可靠、结构形式灵活、施工安装简便;可耐气候变化,抗热、抗震和抗腐蚀,能忍受风吹、日晒、雨淋的侵蚀而不改变网状结构;具有良好的防火性,性价比高。

  在泡沫陶瓷中由于闭气孔的存在,降低了其放热效率,减少了热传播过程中的对流,使泡沫陶瓷具有热传导率低、抗热震性能优良等特性,是一种理想的耐热材料[3]。泡沫陶瓷被广泛用于航天飞机的外壳隔热。另外,泡沫陶瓷作为核工业隔热材料使用,不会因为核辐射而降低隔热性能。

  目前多孔羟基磷灰石生物泡沫陶瓷的研究和应用收到了极为广泛的关注。多孔羟基磷灰石陶瓷与人体骨骼、牙齿无机质的成分极为相似,对人体无毒,具有极好的生物相容性和生物活性,是一种理想的人体骨替代材料[7]。用添加增孔剂等制作泡沫陶瓷的方法,制备多孔羟基磷灰石生物陶瓷,利用其相互连通的孔隙有利于组织液的微循环,促进细胞的渗入和生长。

  泡沫陶瓷材料具有良好的热交换性,可以降低火焰温度,惰性多孔陶瓷表面内或在接近多孔陶瓷表面处进行各种燃料的预混合燃烧,可以节省能量,降低COx、NOx排放[3]。

  泡沫陶瓷作为一种新型陶瓷材料,以其较低的制造成本、操作简单的制备工艺被广泛应用于冶金、化工、环保、节能、医学、电子等领域,给现代社会带来了极大的经济和社会效益。同时,在航空航天、军事装备、金属陶瓷复合材料等新的应用领域,对泡沫陶瓷材料的需求更加迫切,并且对其性能提出了更高的要求。因此,进一步研究泡沫陶瓷,提高其材料性能,拓宽其应用领域至关重要。

  [7]陈军超,任凤章,马战红,李锋军,赵士阳.泡沫陶瓷的制备方法及应用[J].中国陶瓷,2009,45(01):8-12.

  [9]董毅峰,王雪瑶,李志宏,刘石,刘长春.泡沫陶瓷材料制备方法及应用的研究进展[J].陶瓷,2007(07):50-52.

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  简介描述:泡沫陶瓷是一种无机非金属材料,是以陶瓷原矿、页岩、陶瓷工业废渣、粉煤灰、煤矸石、大理石尾矿、炉渣等等无机材料作为主要原料,掺加一定比例的发泡剂、助溶剂等物质,经混...
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