黄洁宁
（江西外语外贸职业学院）
【摘 要】泡沫陶瓷孔隙率高、抗热震性能良好、耐腐蚀性强、稳定性好，已在多个领域得到应用。对制备工艺进行了分析，并介绍了泡沫陶瓷的研究进展和应用前景。
【关键词】泡沫陶瓷；制备；性质；应用
泡沫陶瓷为新型的保温隔热绿色环保材料，内部含有大量气孔、呈三维空间网架结构。其孔隙率高、稳定性好，还具有耐腐蚀、抗热震等传统有机保温材料所没有的特性。
1、泡沫陶瓷概述
美国在1978年于熔融金属的过程中，用Al2O3和高岭土等制出泡沫陶瓷，使金属铸件的质量提升、制品的废品率下降。德、日、英等国家之后开展了相关工作，将泡沫陶瓷应用在杂质的过滤和催化剂载体等方面。我国在20世纪80年代时探索了泡沫陶瓷的研究，其在尾气净化和金属熔融领域达到了高实用的水平。目前，泡沫陶瓷的组成材质多种多样，骨料和材质也不尽相同，使用温度及主要性能还需研究。
2、泡沫陶瓷的制备方法
（1）添加造孔剂工艺
添加造孔剂工艺要求造孔剂在基体陶瓷烧结后离开基体，形成大量气孔，制成的泡沫陶瓷孔隙大小和形状主要由造孔剂颗粒决定。
常用的造孔剂有无机和有机两类，无机造孔剂如CaCO3、碳酸铵等在高温下可分解形成气孔，而硫酸钠、氯化钠等在高温下不分解，也不与基体产生反应，可在烧结完成后用水、酸或碱溶液浸出气孔，从而制得泡沫陶瓷。有机造孔剂如锯末、淀粉、聚氯乙烯等天然纤维和高分子聚合物等，可在制品烧结前分解或挥发，产生大量气孔。该工艺制成的泡沫陶瓷形状各异、气孔特征不一，但孔隙率不高。
（2）有机泡沫浸渍工艺
有机泡沫浸渍工艺由Schwartzwalder和Somers在20世纪60年代发明，可制出孔隙率大于70%的泡沫陶瓷。该工艺须先准备好有机泡沫网状体，之后将陶瓷浆料涂在其上，干燥烧结后除去泡沫体，从而获得泡沫陶瓷。制品强度和孔隙率均较高，但形状和密度不甚理想。
有机泡沫体须有一定的亲水性和回弹性，使陶瓷浆料吸附并在多余浆料挤出后回复原态，决定了制品的孔隙特征。此外，陶瓷浆料的性能和烧结方法也是影响制品性能的主要因素。在陶瓷浆料中可添加一定含量的粘结剂、流变剂、分散剂和表面活性剂等，以保证其固相含量高、触变性能好，便于浸渍成型。烧结时应缓慢升温，使有机泡沫体在陶瓷烧结前充分气化，不致坯体产生开裂，影响陶瓷质量。
（3）发泡工艺
发泡工艺是向陶瓷组分中添加有机或无机化学物质，产生气泡，经干燥和烧结制得泡沫陶瓷。其特点是将添加物产生的泡沫扩散到陶瓷悬浮体中来获得多孔结构，根据添加发泡剂和烧结方式的不同，可制出具有不同孔隙结构的泡沫陶瓷。
物理发泡剂如惰性气体N2、CO2等，或低沸点液体戊烷、己烷等，通过物理形态的改变使发泡剂中的气体析出而发泡。无机发泡剂如碳化硅、氧化铁或碳酸钙等，通过与原料的反应或高温分解产生气体，材料发泡后体积可产生较大变化。有机发泡剂如偶氮化合物、亚硝基化合物等，加热后形成大量氮气，气泡分散均匀，因而更适用于有机物。起泡剂是一种表面活性剂，使泡沫的表面张力降低，产生的气泡体系更加稳定。
（4）溶胶-凝胶（Sol-Gel）工艺
制备微孔陶瓷，使用溶胶-凝胶工艺是最适合的工艺之一。溶胶的原料为具有高化学活性组分的液相化合物，分散到溶剂中反应后组分扩散，在凝胶化过程中胶体粒子联结成网状结构，在烧结过程中网状结构中的液体挥发，留下纳米级的微小孔隙，得到气孔分布均匀的泡沫陶瓷，但制备出的材料形状会受到限制。
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除上述传统的制备工艺之外，还有其他的方法来获取泡沫陶瓷。如机械搅拌法[1]，在二氧化硅溶液中加入起泡剂，搅拌后将发泡的材料水浴、加热，烧成后制得氧化硅泡沫陶瓷。再如模版法[3]，以聚合物为核、陶瓷材料为壳作为模版，在一定温度下烧结后，制成孔径可孔的泡沫陶瓷。还有浸渍过滤法[2]，将硅溶胶与莫来石纤维混合，制备出孔隙率高、导热系数小、可用于保温隔热的轻质泡沫陶瓷材料。
3、泡沫陶瓷的应用
泡沫陶瓷在发展初期时一般仅用于过滤。随着技术的发展和使用的多元化，开始出现各种孔隙结构和特征的新型高性能泡沫陶瓷材料，拓宽了其应用范围。
（1）过滤净化
泡沫陶瓷作为一种新型环保无机材料，在金属熔融过滤和工业污水处理方面有较普遍的应用。泡沫陶瓷气孔率大、液体渗透率高、抗热震性好、透气度高，在过滤金属液体时可破坏其金属液渣包，通过机械和化学反应将其净化，提高金属机械性能、延长铸品使用寿命。在污水处理时，泡沫陶瓷可制成曝气器使用，由于其内部含有大量微孔，吸附了水中的有害微粒，净化后的水质高、有机物含量低，提高了城市污水处理的效率。
（2）保温隔热
根据孔隙特征，分为开口孔隙和闭口孔隙泡沫陶瓷。在传统窑炉和电炉中多使用开口孔泡沫陶瓷作为内衬，航天器的外壳也采用其作为热保护材料，不仅减轻材料重量，还加快升温速度。由泡沫陶瓷制成的耐热砖使用温度可达到1600℃，是目前最好的隔热材料之一。而闭口孔隙泡沫陶瓷材料含有大量分布均匀的独立小气孔，减少了热传播中的对流，使其导热系数低、吸水率小，可作为建筑材料用于建筑外墙和屋面系统中的防水、防火、隔热和保温等。
（3）催化剂载体
汽车尾气含有较多燃烧不完全的微细颗粒，是城市空气的主要污染源。通过泡沫陶瓷制成的催化器时，由于其比表面积大、开口孔隙多，增加了催化剂的有效接触面积，提高了转化和反应效率。将泡沫陶瓷尾气催化器应用在汽油车中，可使尾气中的CO、NO等有害气体转化为CO2、H2O、N2；用在柴油车上，可以净化碳粒。若泡沫陶瓷内部滤芯积满碳粒，则可以采用催化氧化法或电控燃烧法再生，延长使用寿命，达到节能的效果[2]。
（4）生物和医学应用
传统生物陶瓷含有羟基磷灰石或磷酸三钙等成分，可为新骨生成提供条件。在其基础上研究制备的泡沫陶瓷含有连通的孔隙，植入生物体后有利于新生骨组织的生长。利用有机泡沫浸渍法和发泡法制备的泡沫陶瓷，孔隙率高、气孔贯通性强，与生物的相容性较好，可用于修复口腔颌面、脊椎骨和大腿骨等。在医药工业中，泡沫陶瓷还可用于分离、精制酶、病毒和蛋白质等生理活性物质。
泡沫陶瓷除以上用途之外，还可用作城市住宅、公共建筑场所的吸音材料；在加热器或暖风机中作为多孔介质燃烧器使用；用于土壤盐分、水分测量的传感器等。在食品加工、核电工业、光学磁学等领域也有较广的应用。
4、展望
泡沫隔热陶瓷的性能优良，应用领域不断拓宽，在制备过程中则需要简化工艺、提高效益、生产各种泡沫陶瓷材料。应优化生产过程，通过经济实用的方式，大规模、工业化生产泡沫陶瓷；闭口气孔泡沫陶瓷有更佳的保温隔热效果，应加大研究力度，制备出孔隙分布均匀、气孔率高的材料；应提高泡沫陶瓷的强度和刚度，加强其应用性能。可以预见，随着工艺技术的进步，泡沫陶瓷的应用前景将会更加广阔。
参考文献
[1]Fujiu ,et al . Synt hesis of Highly Porous Ceramics[J ] . J Am Ceram Soc ,1990(1) :85 - 89.
[2]Tang F Q ,Fudouzi H ,Uchikoshi T. Preparation of Porous Materials wit h Cont rolled Pore Size and Porosity[J ] . J Eur Ceram Soc ,2004(24) :341 - 344.
[3]赵杰,董志军,袁观明等.轻质陶瓷隔热材料的制备及其性能表征[J]. 武汉科技大学学报,2009,02:205-208.
论文作者:黄洁宁
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/15
标签：泡沫论文; 陶瓷论文; 孔隙论文; 气孔论文; 发泡剂论文; 工艺论文; 浆料论文; 《工程建设标准化》2016年4月总第209期论文;