泡沫陶瓷

泡沫陶瓷材料的發展始於20世紀70年代，是一種具有高温特性的多孔材料。其孔徑從納米級到微米級不等，氣孔率在20%～95%之間，使用温度為常温～1600℃ ^[1]  。

泡沫陶瓷一般可以分為兩類，即開孔（網狀）陶瓷材料以及閉孔陶瓷材料，這取決於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於孔稜中，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。一般來説孔隙的直徑小於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。

自1978年美國發明瞭利用氧化鋁、高嶺土等陶瓷料漿成功研製出泡沫陶瓷，用於鋁合金鑄造過濾之後，英、日、德、瑞士等國家競相開展了研究，生產工藝日益先進，技術裝備越來越向機械化、自動化發展，已研製出多種材質，適合於不同用途的泡沫陶瓷過濾器，如Al2O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等高温泡沫陶瓷，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，產品已係列化、標準化，形成了一個新興產業，其分類如表所示。

中國在20世紀80年代初開展泡沫陶瓷研究工作。近20年來，先後有十幾家科研機構和廠家報道了泡沫陶瓷製品的研究。但是中國的泡沫陶瓷從整體技術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架結構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綿體。由於它具有氣孔率高、比表面積大、抗熱震、耐高温、耐化學腐蝕及良好的機械強度和過濾吸附性能，可廣泛應用於熱交換材料，布氣材料，汽車尾氣裝置，淨化冶金工業過濾熔融態金屬，熱能回收，輕工噴塗行業，工業污水處理,隔熱隔音材料，用作化學催化劑載體，電解隔膜及分離分散元件等 ^[1]  。

多孔陶瓷的應用領域又擴展到航空領域、電子領域、醫用材料領域及生物化學領域等。多孔陶瓷的廣泛應用已引起了全球材料界的高度重視，因此，製備高強度、孔徑均勻、性能穩定、高度有序的泡沫陶瓷體，拓寬和開發泡沫陶瓷在國內各行業中的應用，無疑是十分必要的。

1.發泡法：採用發泡反應的方法，可以製備形狀複雜的泡沫陶瓷製品，以滿足一些特殊場合的應用；在陶瓷粉料中加入適當的陶瓷纖維，可改善這一工藝，有效增加坯體在燒結過程中的強度，避免粉化和塌陷。

2.溶膠凝膠法：溶膠凝膠法主要用來製備孔徑在納米級的微孔陶瓷材料，該方法經改進後也可以製備高規整度泡沫陶瓷材料。運用溶膠凝膠技術製備泡沫材料，在溶膠向凝膠的轉化過程中，體系的粘度迅速增加，從而穩定了前期產生的氣泡，有利於發泡。該工藝與其他工藝相比有其獨特之處，它還可以製備孔徑在納米級、氣孔分佈均勻的泡沫陶瓷薄膜，正成為無機薄膜製備工藝中最為活躍的研究領域。

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佔據一定的空間，然後經過燒結，造孔劑離開基體而形成氣孔來製備泡沫陶瓷。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、軋製、注射和粉漿澆注等。利用這種方法可以製得形狀複雜、氣孔結構各異的材料，但氣孔分佈的均勻性較差。

4.有機前驅體浸漬法：泡沫陶瓷最理想的製備方法是有機前驅體浸漬法。用此種成型方法制備的泡沫陶瓷已在多個領域廣泛應用，取得了較為明顯的效果。進一步控制漿料性能，適當優化無機粘結劑體系，並嚴格控制漿料浸漬等工藝過程，可以提高泡沫陶瓷製品的性能。所選用的有機泡沫體的網眼尺寸是有限的，制約了所得泡沫陶瓷材料的孔徑和結構。

1.凝膠注模工藝美國橡樹嶺國家實驗室首次提出了凝膠注模工藝（Gel-casting），它是一種被廣泛應用的新型成型方法。這種新的成型技術採用非孔模具，利用料漿內部或少量添加劑的化學反應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。作為製備多孔陶瓷的一種新型方法，懸浮體泡沫化是最經濟的，原位聚合固化所形成的素坯具有內部網狀結構，強度較高。

2.自蔓延高温合成工藝自蔓延高温合成（Self-propagatingHigh-tempera-tureSynthesis,SHS）方法的概念是由前蘇聯科學家A.G.Mazhanov在1967年首先提出來的。SHS的本質是一種高放熱無機化學反應，其基本反應過程是：向體系提供必要能量（點火），誘發體系局部產生化學反應，此後，這一化學反應過程在自身放出的高熱量的支持下繼續進行，最後將燃燒（反應）波蔓延到整個體系，從而製備出所需的陶瓷材料。材料的SHS技術以其高效、節能、經濟和所得材料的良好性能特點而倍受重視。另外，SHS反應產物通常具有很高的孔隙率，用這一特點可用來製備具有多孔連續網絡結構的陶瓷材料，通過添加造孔劑可進一步提高產物的連通開放孔隙率。此外，還有諸如泡沫前體反應法、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、木材熱解構架法等泡沫陶瓷製備方法 ^[1]  。

泡沫陶瓷的應用開始於19世紀70年代，當時僅被用作鈾提純材料和細菌過濾材料。隨着泡沫陶瓷使用範圍的不斷擴大，其應用領域也逐漸擴大，由過濾、熱工等領域逐漸擴展到隔熱、吸音、電子、光電、傳感、環境生物及化學領域。

1.微孔膜陶瓷分離膜所具有的耐酸鹼、耐侵蝕、耐高温、抗老化、使用壽命長等優點已被人們所認識，並被開發應用於食品工業、生物化工、能源工程、環境工程、電子技術等許多領域。隨着材料科學的發展，納米級多孔無機膜的製備和應用成為人們研究的熱點。

2.生物材料很多科研單位都在致力於多孔羥基磷灰石生物陶瓷材料的研究。用添加造孔劑和製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於組織液的微循環，促進細胞的滲入和生長。研製出的泡沫陶瓷羥基磷灰石人工骨和義眼已經用於臨牀實驗，引起了醫學界和材料學界的關注。

3.食品、衞生行業用泡沫陶瓷材料泡沫陶瓷由於具有耐高温、耐腐蝕和良好的生物、化學特性，因而可用於醫藥工業中的酶、病毒、疫苗、核酸、蛋白質等生理活性物質的濃縮、分離、精製等。在食品、飲料工業中，特別適用於對色、香、味要求高的飲料及低度酒類的過濾，並可望在啤酒的生產中發揮巨大的作用。

4.環境材料隨着現代工業的發展，各行各業在生產中排放的有害氣體和廢水也越來越多，如果處理不當，就會嚴重影響人類的生存環境，所以環境保護成為時代的主題。泡沫陶瓷在汽車催化轉化器的應用已經有很長時間。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，達到除臭淨化的目的。採用耐高温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温含塵氣體。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。

5.隔熱材料泡沫陶瓷具有熱傳導率低、抗熱震性能優良等特性，是一種理想的耐熱材料。由泡沫陶瓷製作的典型耐熱材料為耐熱磚，其材質有ZrO₂、SiC、鎂鹽及鈣鹽等，使用温度高達1600℃,是世界上最好的隔熱材料，稱之為“超級絕熱材料”，被應用於航天飛機外殼的隔熱及導彈頭的強迫發汗等 ^[1]  。