泡沫陶瓷材料的發(fā)展始于20世紀70年代,是一種具有高溫特性的多孔材料。其孔徑從毫米級到微米級不等,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(wǎng)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(xù)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。 

國外發(fā)展概況

　　自1978年美國發(fā)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(chǎn)工藝日益的技術(shù)裝備越來越向機械化、自動化發(fā)展,已研制出多種材質(zhì),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(chǎn)品已系列化、標(biāo)準化,形成了一個新興產(chǎn)業(yè), 其分類如表所示。 

我國發(fā)展?fàn)顩r

　　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(gòu)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(shù)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì) 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(xué)腐蝕及良好的機械強度和過濾吸附性能,可廣泛應(yīng)用于熱交換材料,布氣材料,汽車尾氣裝置,凈化冶金工業(yè)過濾熔融態(tài)金屬,熱能回收,輕工噴涂行業(yè),工業(yè)污水處理,隔熱隔音材料,用作化學(xué)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(yīng)用領(lǐng)域又擴展到航空領(lǐng)域、電子領(lǐng)域、醫(yī)用材料領(lǐng)域及生物化學(xué)領(lǐng)域等。多孔陶瓷的廣泛應(yīng)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(wěn)定、高度有序的泡沫陶瓷體,拓寬和開發(fā)泡沫陶瓷在國內(nèi)各行業(yè)中的應(yīng)用,無疑是十分必要的。 

傳統(tǒng)制備方法

　　1.1 發(fā)泡法采用發(fā)泡反應(yīng)的方法,可以制備形狀復(fù)雜的泡沫陶瓷制品,以滿足一些特殊場合的應(yīng)用;在陶瓷粉料中加入適當(dāng)?shù)奶沾衫w維,可改善這一工藝,有效增加坯體在燒結(jié)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(jīng)改進后也可以制備高規(guī)整度泡沫陶瓷材料。運用溶膠凝膠技術(shù)制備泡沫材料,在溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)化過程中,體系的粘度迅速增加,從而穩(wěn)定了前期產(chǎn)生的氣泡,有利于發(fā)泡 。 

　　1.3 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(jù)一定的空間,然后經(jīng)過燒結(jié),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(fù)雜、氣孔結(jié)構(gòu)各異的材料,但氣孔分布的均勻性較差。 

　　1.4 有機前驅(qū)體浸漬法目前泡沫陶瓷最理想的制備方法是有機前驅(qū)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(lǐng)域廣泛應(yīng)用,取得了較為明顯的效果。進一步控制漿料性能,適當(dāng)優(yōu)化無機粘結(jié)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(yù)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(qū)體浸漬法工藝存在一個明顯的缺陷,即制品的孔隙結(jié)構(gòu),尤其是孔徑取決于所選有機泡沫體的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑大小。而目前所選用的有機泡沫體的網(wǎng)眼尺寸是有限的,制約了所得泡沫陶瓷材料的孔徑和結(jié)構(gòu)。朱新文等采用三維網(wǎng)狀有機泡沫為載體,先用浸漬工藝制備出高孔隙率且?guī)缀鯖]有堵孔的網(wǎng)眼坯子,經(jīng)排塑、預(yù)燒處理獲得具有一定強度的預(yù)制體。預(yù)制體的孔棱呈疏松多孔結(jié)構(gòu),很好地解決了這個問題。 

       2.1 凝膠注模工藝美國橡樹嶺實驗室首次提出了凝膠注模工藝(Gel-casting),它是一種被廣泛應(yīng)用的新型成型方法。這種新的成型技術(shù)采用非孔模具,利用料漿內(nèi)部或少量添加劑的化學(xué)反應(yīng)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(jīng)濟的,原位聚合固化所形成的素坯具有內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),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(lián)科學(xué)家A.G.Mazhanov在1967年首先提出來的。SHS的本質(zhì)是一種高放熱無機化學(xué)反應(yīng),其基本反應(yīng)過程是:向體系提供必要能量(點火),誘發(fā)體系局部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),此后,這一化學(xué)反應(yīng)過程在自身放出的高熱量的支持下繼續(xù)進行,最后將燃燒(反應(yīng))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(shù)以其高效、節(jié)能、經(jīng)濟和所得材料的良好性能特點而倍受重視。另外,SHS反應(yīng)產(chǎn)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(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陶瓷材料,通過添加造孔劑可進一步提高產(chǎn)物的連通開放孔隙率。此外,還有諸如泡沫前體反應(yīng)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(gòu)架法等泡沫陶瓷制備方法。 
泡沫陶瓷的應(yīng)用
應(yīng)用領(lǐng)域
　　泡沫陶瓷的應(yīng)用開始于19世紀70年代,當(dāng)時僅被用作鈾提純材料和細菌過濾材料。隨著泡沫陶瓷使用范圍的不斷擴大,其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴大,由過濾、熱工等領(lǐng)域逐漸擴展到隔熱、吸音、電子、光電、傳感、環(huán)境生物及化學(xué)領(lǐng)域。 
熱點行業(yè)
　　3.1 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(yōu)點已被人們所認識,并被開發(fā)應(yīng)用于食品工業(yè)、生物化工、能源工程、環(huán)境工程、電子技術(shù)等許多領(lǐng)域 。隨著材料科學(xué)的發(fā)展,納米級多孔無機膜的制備和應(yīng)用成為人們目前研究的熱點。 
　　3.2 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(huán),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(jīng)用于臨床實驗,引起了醫(yī)學(xué)界和材料學(xué)界的關(guān)注。 
　　3.3 食品、衛(wèi)生行業(yè)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(xué)特性,因而可用于醫(yī)藥工業(yè)中的酶、病毒、疫苗、核酸、蛋白質(zhì)等生理活性物質(zhì)的濃縮、分離、精制等。在食品、飲料工業(yè)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(chǎn)中發(fā)揮巨大的作用。 
　　3.4 環(huán)境材料隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,各行各業(yè)在生產(chǎn)中排放的有害氣體和廢水也越來越多,如果處理不當(dāng),就會嚴重影響人類的生存環(huán)境,所以環(huán)境保護成為時代的主題。泡沫陶瓷在汽車催化轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用已經(jīng)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。 
　　3.5 隔熱材料泡沫陶瓷具有熱傳導(dǎo)率低、抗熱震性能等特性,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(zhì)有Zr02、SiC、鎂鹽及鈣鹽等,使用溫度高達1600℃,是目前世界上的隔熱材料,稱之為“超級絕熱材料”,被應(yīng)用于航天飛機外殼的隔熱及導(dǎo)彈頭隔熱。