中國粉體網(wǎng)訊 多孔氧化鋁陶瓷具有硬度高、耐高溫、耐磨、電絕緣、耐侵蝕、力學(xué)性能良好等優(yōu)點，被譽為“節(jié)能減排”材料中的一支奇葩。此外，制備多孔氧化鋁陶瓷原料來源廣泛、價格較低廉、生產(chǎn)工藝較簡單，具有較高的性價比，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于凈化分離、固定化酶載體、吸聲減震和傳感器材料等眾多領(lǐng)域，在航天航空、能源、石油等領(lǐng)域中具有十分誘人的應(yīng)用前景。
多孔陶瓷孔洞類型及結(jié)構(gòu)
多孔陶瓷的孔隙尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙率的大小決定了多孔陶瓷的性能以及應(yīng)用場景。
多孔陶瓷孔洞類型示意圖
根據(jù)孔洞類型可將多孔陶瓷分為開孔形多孔陶瓷以及閉孔形多孔陶瓷。其中閉孔指的在陶瓷內(nèi)部不與陶瓷外部連通的孔洞，開孔指的是與陶瓷外部連接的孔洞，它又分為半開孔與通孔。其中，半開孔指的是孔洞僅存在陶瓷表面，內(nèi)部不能相互貫通。而通孔是陶瓷內(nèi)部能夠與外界相連，并且孔與孔之間存在大量相互連通的孔洞，這些孔洞可以使得氣體、液體甚至固體從陶瓷內(nèi)部通過。
根據(jù)孔隙大小可將多孔陶瓷分為：大孔多孔陶瓷（＞100μm）、介孔多孔陶瓷（50-100μm）和微孔多孔陶瓷（＜50μm）。大孔多孔陶瓷多應(yīng)用于吸音、物理過濾等領(lǐng)域；介孔以及微孔多孔陶瓷多用于有益菌培養(yǎng)、電解槽、真空吸盤等方面。
根據(jù)孔洞結(jié)構(gòu)可將多孔陶瓷分為交聯(lián)棒狀多孔陶瓷、蜂窩煤形多孔陶瓷、生物結(jié)構(gòu)形多孔陶瓷、泡沫形多孔陶瓷等。
多孔氧化鋁陶瓷制備工藝
近些年來，制備多孔Al2O3陶瓷的工藝方法已經(jīng)愈發(fā)成熟，主要包括發(fā)泡法、造孔劑法、有機(jī)泡沫浸漬法、冷凍干燥法等。雖然制備方法大不相同，但是其關(guān)鍵技術(shù)都是在通過控制氣孔形貌以及結(jié)構(gòu)進(jìn)而提升材料性能。
（1）造孔劑法
造孔劑法是指將固態(tài)造孔劑與陶瓷粉末混合均勻，造孔劑在陶瓷坯體中便占據(jù)一部分體積。在高溫?zé)Y(jié)后，固態(tài)造孔劑蒸發(fā)，進(jìn)而形成氣孔。造孔劑法的關(guān)鍵因素在于其造孔劑種類的不同以及添加量的多少。造孔劑法的優(yōu)點在于易獲取、簡單，制備過程中通過調(diào)整造孔劑的形狀和大小便可以控制氣孔形貌。然而其缺點也十分明顯，造孔劑通常是作為第二相材料加入，因此很難將其與原料粉末完全混合均勻，這一點會造成材料性質(zhì)不均勻，不利于材料性能的提升。此外，造孔劑法很難制備得到高氣孔率以及均勻分布?xì)饪椎腁l2O3陶瓷。
（2）有機(jī)泡沫浸漬法
有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔陶瓷流程圖
有機(jī)泡沫浸漬法是使用帶有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)泡沫，把事先配制好的陶瓷漿料均勻涂抹在三維骨架的表面，干燥后將有機(jī)泡沫燒掉即可得到多孔陶瓷。因而選取恰當(dāng)?shù)挠袡C(jī)材料在有機(jī)泡沫浸漬法制備過程中顯得尤為重要。此方法的優(yōu)勢在于過程簡單、操作便捷，可以獲得氣孔率極高（70%~90%）的陶瓷，且可以通過不同種類的有機(jī)材料對陶瓷的結(jié)構(gòu)以及形貌進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。其缺點在于陶瓷漿料很難進(jìn)入到有機(jī)泡沫內(nèi)部的孔隙中，制備出的多孔陶瓷氣孔尺寸可達(dá)150μm，甚至幾毫米，這一點不利于強度的提升。
（3）冷凍干燥法
冷凍干燥法是近年來新型的多孔陶瓷制備工藝，其原理是將預(yù)先制備好的陶瓷漿料在低溫下冷凍，冷凍過程中漿料中的水分變?yōu)楣滔�，再通過低壓真空的條件使固相物質(zhì)直接升華為氣相，從而得到多孔陶瓷。制備過程中可以通過調(diào)整冷凍方向和固含量進(jìn)而得到方向性好且氣孔率極高的多孔陶瓷。冷凍干燥法制備多孔陶瓷的優(yōu)勢在于用水作溶劑，對環(huán)境無污染，是一種綠色的制備工藝。此外，此方法制備出的產(chǎn)品氣孔率可控范圍寬，通過調(diào)整漿料濃度、冷凍溫度等參數(shù)，可以制備出高定向、高氣孔率的多孔材料。
（4）凝膠注模法
美國橡樹嶺重點實驗室在上世紀(jì)九十年代首先提出凝膠注模法。該工藝是通過在單體與交聯(lián)劑的混合液中加入陶瓷粉以及引發(fā)劑，通過一系列化學(xué)反應(yīng)使陶瓷漿料在原位固化成型，從而得到結(jié)構(gòu)均勻、可加強性強的生坯。凝膠注模法的優(yōu)點在于工藝簡單，在制備復(fù)雜產(chǎn)品時可以起到很好的作用。缺點在于可用的交聯(lián)體系太少，目前最成熟的交聯(lián)體系是丙烯酰胺體系，但是丙烯酰胺有很強的神經(jīng)毒性，限制了該工藝更廣泛的應(yīng)用。
（5）其它方法
多孔Al2O3陶瓷的制備方法很多，不同工藝制備出的樣品的特點也大不相同。發(fā)泡法制備出的多孔陶瓷通常具有超高的孔隙率（＞70%），但是通常其強度較低。固態(tài)燒結(jié)法不用額外添加造孔劑就能夠產(chǎn)生孔洞，但是這種方法制備出的多孔陶瓷孔隙率往往較低。
多孔氧化鋁陶瓷燒結(jié)機(jī)制
燒結(jié)是制備陶瓷過程中非常重要的環(huán)節(jié)，其原理實際上是原料坯體在高溫下獲得一定微觀結(jié)構(gòu)、強度的過程。傳統(tǒng)工藝制備Al2O3陶瓷的燒結(jié)機(jī)制通常是固相燒結(jié)和液相燒結(jié)。
（1）固相燒結(jié)
固相燒結(jié)一般而言可以分為三個燒結(jié)階段，即燒結(jié)初期、燒結(jié)中期和燒結(jié)后期。在燒結(jié)初期階段，坯體是通過表面擴(kuò)散或者蒸發(fā)-凝聚進(jìn)行傳質(zhì)燒結(jié)。燒結(jié)中期，隨著燒結(jié)頸不斷長大，顆粒間距離進(jìn)一步減少，這使得陶瓷坯體在燒結(jié)中期變得更為致密，密度和強度都得到顯著提升。燒結(jié)后期主要發(fā)生的是晶粒的繼續(xù)長大，此階段致密化過程十分緩慢。
固相燒結(jié)Al2O3陶瓷的純度往往都很高，可以達(dá)到99.9%以上，可以應(yīng)用在高溫環(huán)境以及對耐腐蝕性較高的場合。但是固相燒結(jié)通常需要較高的燒結(jié)溫度，這會導(dǎo)致燒結(jié)后陶瓷收縮率過高，從而造成氣孔率降低。
（2）液相燒結(jié)
液相燒結(jié)指的是陶瓷體系中的低熔點物質(zhì)在燒結(jié)過程中融化，從而導(dǎo)致顆粒重排以及氣孔填充。其過程大致可以分為三個階段，即液相生成、固相溶解和析出、固相骨架的形成。第一階段，燒結(jié)溫度升高導(dǎo)致體系中開始生成液相。第二階段，小顆粒優(yōu)先溶解進(jìn)液相，這歸因于其較大的表面能。大顆粒表面則具有一定的飽和濃度，當(dāng)被溶解物質(zhì)濃度超過其表面飽和濃度時，便會開始析出物質(zhì)。因此，該階段小顆粒逐漸縮小甚至消失，而大顆粒長大。第三階段，固相顆粒之間距離減小，剩余的液相填充氣孔，同時晶粒進(jìn)一步長大。
液相燒結(jié)相比于固相燒結(jié)雖然可以有效降低燒結(jié)溫度，但是燒結(jié)助劑的加入會在體系中引入雜質(zhì)，這一點不利于陶瓷力學(xué)性能的提升。
小結(jié)：
多孔Al2O3陶瓷相比于其它陶瓷性能較為優(yōu)異，這使其有著十分廣泛的應(yīng)用。目前制備多孔Al2O3陶瓷的主要方法包括造孔劑法、發(fā)泡法、冷凍干燥法等，這些方法的燒結(jié)工藝一般為固相或液相燒結(jié)工藝。燒結(jié)工藝對多孔Al2O3陶瓷結(jié)構(gòu)與性能有直接影響。了解多孔Al2O3陶瓷制備與燒結(jié)對于其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用具有非常重要的意義。
參考來源：
1、王字語.微米孔徑氧化鋁多孔陶瓷的構(gòu)筑及性能研究
2、張澳一.片狀互鎖結(jié)構(gòu)多孔氧化鋁陶瓷的制備與性能研究
3、中國粉體網(wǎng)：一文了解多孔氧化鋁陶瓷的性能及制備技術(shù)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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