多孔陶瓷材料的特性主要指 標為氣孔率 、孔徑大小與分布 、平均孔徑和 能力 。但在多 孔陶瓷的研制過程中, 要控制孔徑的大小 、形狀 、數(shù) 量和氣孔的均勻分布則有一定的難度 。選擇適當(dāng)?shù)姆椒ê凸に囀侵苽涠嗫滋沾傻闹匾h(huán)節(jié) 。目前, 多 孔陶瓷制備的工藝主要有以下幾種 。
3.1 擠壓成型工藝
擠壓成型 簡要工藝 流程為 :配料 —混 合 —擠壓成形 —干燥 —燒結(jié) —成品該工藝制成的多孔陶瓷氣孔尺寸 、形狀 、孔隙率均勻, 適宜批量生產(chǎn), 但該工藝的缺點是難以制得孔徑小于 1mm的制品[ 2] 在生產(chǎn)過程中, 擠出成型模具的制作是核心技術(shù) 。該工藝制備的多孔陶瓷適于用作汽車尾氣凈化器的載體 。
3.2 顆粒堆積工藝
在骨料中加入 相同組分的微 細顆粒, 利 用微細顆粒易于燒結(jié)的特點, 在高溫狀況下產(chǎn)生液相, 使骨料 (大顆粒 )連接起來 ?？讖降拇笮∨c骨料粒徑成正比, 骨料粒 徑越大, 形 成的多 孔陶瓷 平均 孔徑 就越
大, 呈線性關(guān)系 。骨料顆粒尺寸越均勻, 產(chǎn)生的氣孔分布也越均勻 。另外添加劑的含量和種類以及燒成溫度對微孔體的分布和孔徑大小有直接的影響 。
徐振平等 [ 4] 通 過控制 球狀 二次 粒子 原料 的粒徑, 采用燒結(jié)法制備了孔徑分布很窄的多孔陶瓷, 提出了一種控制孔徑分布的有效辦法 。孫宏偉等 [ 5] 則通過控制粉料粒徑 、添加劑種類和含量, 用固態(tài)燒結(jié)法制得了平均孔徑為 0.45 μm、孔徑分布狹窄 、孔隙率為 50%的 α-Al2O3陶瓷膜管 。
3.3 發(fā)泡工藝
發(fā)泡工藝 是向陶 瓷組 分中 添加有 機或 無機 化學(xué)物質(zhì)即發(fā) 泡劑, 在處 理期間 形成揮 發(fā)性氣 體, 產(chǎn)生泡沫, 經(jīng)干燥 和燒成制 得多孔陶 瓷 ( 包括網(wǎng)眼 型和泡沫型兩 種 ) 。 Sundermann等 [ 6] 用炭 化鈣 、氫 氧化鈣 、硫酸鋁和雙氧水作發(fā)泡 劑, 于 1973年 發(fā)明了發(fā)泡工藝 。發(fā)泡工藝與傳統(tǒng)陶瓷工藝相 比, 多 了一個干燥前發(fā)泡過程 ;與泡沫塑料浸漬泥漿高 溫處理法相比, 發(fā)泡法 可以 容易地 制得一 定形 狀 、組 成和密度的多孔陶瓷, 而且還可以制備出小 孔徑的閉口氣孔, 而這是用泡沫塑料浸漬泥漿高溫 處理法做不到的, 但其缺點在于難以控制的工藝條 件和要求較高的原料 。吳皆正 等 [ 7] 用十二 烷基磺 酸鈉和 炭酸鈣為發(fā)泡 劑, 以石英 砂為原 料, 制備了 顯氣孔 率在 35% ～ 55%, 平均孔徑 8 ～ 60 μm具有狹窄 的孔徑分布和一定強度的可控微米級多孔陶瓷 。
3.4 添加造孔劑工藝
該工藝通過在陶瓷坯料中添 加造孔劑, 利用造孔劑在坯 體中占 據(jù)一定的 空間, 然后經(jīng)過 排塑 、燒結(jié), 造孔劑離開基體而成 氣孔來制備多孔陶 瓷 。添加造孔劑的目的在于促使氣孔率增加, 它必須滿足下列要求 :在加熱過程中易于排除 ;排除后在基體中無有害殘留物 ;不與基體反應(yīng) 。近有報道 [ 8] , 采用棉花纖維為造孔劑, 利用漿料浸漬的 方法來獲得氣孔呈單向排列的多孔陶瓷, 其開口氣孔率 35%, 彎曲強度高達 160 MPa。
3.5 多孔模板復(fù)制工藝
該工藝主要包括泡沫浸 漬工藝 、先驅(qū)體浸漬 法 、化 學(xué) 氣相 滲 透 ( CVI)和 化 學(xué) 氣相 沉 積( CVD) 、仿生結(jié)構(gòu) 制備 。 Washboume等 [ 9] 使用小于1mm的硅酸鋁纖維鋰 -鋁 -硅氧化物網(wǎng)眼多孔陶瓷, 其纖維利用低分子量聚丙烯酸 在高速攪拌下分散 。李安明等 [ 10] 系統(tǒng)地討論了泡沫陶瓷的制備方法, 并指出了目前泡沫陶瓷理想的 制備方法是泡沫浸漬法 。
3.6 溶膠 -凝膠工藝
溶膠 -凝膠法主要用來制備 微孔陶瓷材料, 特別是微孔陶瓷膜 。這種方法是利用溶膠在凝膠化的過程中, 膠體離子間相互聯(lián)接形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在網(wǎng)狀孔隙中充滿了溶液, 這些溶液 會在燒成過程
中蒸發(fā)掉留下了許多小孔, 這些小孔大多為納米級,形成了微孔陶瓷材料 。溶膠 -凝膠法可以制備孔徑在納米級 、氣孔分布均勻的多孔陶瓷薄膜, 其大的性在于可以方便地得到多種組成的復(fù)合膜[ 11] ,因此正成為無機分離膜制備領(lǐng)域工藝中活躍的研究領(lǐng)域, 引起了國內(nèi)外眾多研 究人員的重視 。朱承翔等[ 12] 對 SCIENCE和 NATURE近幾年關(guān)于溶膠-凝膠法制備 三維有序多孔材料報道進行了 綜述,認為其新方法主要有 3 種 :1) 均一半徑的粒子為模板并結(jié)合溶膠 -凝膠法 ;2)以 表面活性劑為模板并結(jié)合溶膠 -凝膠法 ;3)以特殊 結(jié)構(gòu)的化合物為模板并結(jié)合溶膠 -凝膠法 。
3.7 升華 -干燥工藝
升華 -干燥工藝是將水溶的或含有硅膠的陶瓷漿料置于模 具中, 以 低的溫 度凍結(jié), 然 后經(jīng) 過脫模 、升華 (冷凍 -干燥 )過程來獲得坯體的成型工藝 。Takayuki等[ 13] 用該法制備出同時含有宏孔和微孔的氧化鋁陶瓷 。這種制備工藝不能夠制備其它材料而且是環(huán)境友好的 。 Kiyoshiy等 [ 14] 近開發(fā)了一種新型的對環(huán)境友 好的升華成型方法, 以避免 低溫度下的高成本冷凍過程和復(fù)雜的工藝 。這種技術(shù)采用的 、的材料莰烯 ( C10 H16 )為主的漿料作為成孔賦型劑 。
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