低成本泡沫陶瓷的研究现状

摘要：泡沫陶瓷的低成本制备方法研究是泡沫陶瓷领域一个重要发展方向。现在解决思路主要有三种：从原料上控制成本，采用矿渣系原料；简化现有的泡沫陶瓷制备工艺；采用新的泡沫陶瓷制备方法。将从原料、制备工艺的角度分析低成本泡沫陶瓷的存在的问题和未来方向。

关键词：低成本泡沫陶瓷制备工艺矿渣

前言

20世纪70年代起发展起来的泡沫陶瓷,是一种具有高温特性的泡沫材料，孔径从纳米级到微米级不等,气孔率在20%～95%之间，具有比表面积大、强度高、耐高温、耐腐蚀、对流体自扰性强、再生简单、使用寿命长等诸多优点。

利用泡沫陶瓷吸收能量的性能,可用作各种吸音材料、减震材料等;利用低密度、低导热系数的特点,可制成各种保温材料、轻质结构材料等。此外，泡沫陶瓷还广泛应用于航空航天、电子信息、污水治理及其他新的应用领域。

但是随着泡沫陶瓷的应用领域不断拓展，降低成本的呼声日益增高。泡沫陶瓷低成本制备方法的研究成为泡沫陶瓷领域一个重要发展方向。解决思路有以下三种：从原料上控制成本，如采用矿渣系原料；简化现有的泡沫陶瓷制备工艺；采用新的泡沫陶瓷制备方法。总之简单、经济、实用的泡沫陶瓷制备方法的研究是十分必要的。

1.矿渣系泡沫陶瓷

根据材质不同，泡沫陶瓷的主要有:高硅质硅酸盐材料，铝硅酸盐材料，精陶质材料，硅藻土质材料，纯碳质材料，刚玉和金刚砂材料，堇青石、钦酸铝材料，以及用废渣构成的材料。现在研究比较热点的是用粉煤灰、煤矸石等工业废渣，陶瓷厂、玻璃厂等工业废料，建筑垃圾等建筑废渣制取泡沫陶瓷。

吴兴才等人利用煤矸石制备了微米级泡沫陶瓷【1】，上海应用技术学院材料系以粉煤灰为主要原料、粘土为粘结剂，成功地开发出轻质泡沫球形生物滤料【2】。

但利用废料制备出的泡沫陶瓷整体表现出一些问题：废料利用率不高，能耗巨大，产品性能不稳定，且和化工原料制备的泡沫陶瓷性能相差甚大，这些问题都有待进一步解决。

2.泡沫陶瓷制备工艺

制备工艺的条件越亲和，制备工艺和设备越简单，生产的成本也就越低。目前常用的泡沫陶瓷制备方法有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、溶胶凝胶法等。研究比较活跃的新方法有采用溶胶一凝胶代替陶瓷浆料浸渍有机泡沫制备泡沫陶瓷、天然高分子固化法【3～4】、仿生结构复制法【5】、泡沫注凝法【6】、冷冻干燥制备工艺【7】等。

2.1传统制备方法

添加造孔剂法，由于工艺简单、成型方法灵活多样，通过工艺改进，有很大潜力实现低成本化制备。注浆成型能使陶瓷粉料与造孔剂较好地混合,使泡沫陶瓷气孔分布均匀,且设备简单,是制备泡沫陶瓷常用的方法；模压成型的最大优点是简单方便,如果对制品的质量要求不高,较小的片状、块状或管状的泡沫陶瓷都可用模压成型的方法制备。烧结方面，提高烧结体的强度，需提高烧结温度,延长烧结时间,但会降低制品的气孔率。这目前仍是泡沫陶瓷实用化面临的问题之一。

有机泡沫浸渍法，是用有机泡沫浸渍陶瓷浆料,干燥后烧掉有机泡沫,是目前应用最广的泡沫陶瓷的制备方法，适于制备高气孔率,开气孔的泡沫陶瓷。浆料的制备和挂浆工艺是制约其发展的重要因素，目前要达到总够的强度，一般都需要二次挂浆，简化挂浆工艺可以进一步降低泡沫陶瓷的生产成本。

发泡法，与泡沫浸渍工艺相比,更容易控制制品的形状、成分和密度,并且可制备各种孔径大小和形状的泡沫陶瓷。但传统的方法往往对原料和工艺条件要求高，制约其成本的降低。

溶胶-凝胶法主要用来制备微孔陶瓷材料,特别是微孔陶瓷薄膜，生产率低，成本较高。表1 比较了这几种工艺方法的特点及应用。

表1.传统泡沫陶瓷工艺方法特点

2.2新型泡沫陶瓷工艺方法

天然高分子固化法：利用某些天然高分子物质具有变性导致的液一固转变特性，在泡沫陶瓷的制备工艺中有着潜在的应用空间。蛋白质、多糖(包括淀粉、纤维素等)是这类物质的代表。毛小建等人采用木薯淀粉作为固化剂，成功制备了熔石英泡沫陶瓷【4】。该方法工艺过程简单，实用性强，逐步成为研究的热点。但是，加热过程中温度场分布不均匀，会造成气泡大小差异，甚至造成局部结构破坏。所以该方法不适合制备对孔径分布要求较高的多孔陶瓷。

仿生结构复制法：将具有多孔结构的天然木材在800～1800 ℃下和惰性气体环境中裂解可以得到与木材多孔结构几乎完全相同的碳预制体，然后以碳预制体为模板,在1600℃通过液态金属硅的渗透反应可以得到多孔碳化硅陶瓷多孔结构【5】。

冷冻干燥工艺：将陶瓷浆料进行冷冻,使溶剂从液相变成固相冰,在干燥过程中通过降压使固相冰直接升华成气相而让溶剂排除,这样就留下了开口泡沫结构,经烧结后可以得到泡沫陶瓷。水基浆料的使用形成了该工艺的一个最大优势就是与环境友好,因为其孔结构的形成是通过在冷冻干燥过程中冰的升华来完成的,其释放出来的是气态H2O ,对环境不会造成任何污染。Fukasawa 等【7】用冷冻干燥工艺制备出单峰孔(10μm) 和双峰孔(10μm和0.1μm)的多孔A12O3陶瓷。

3.低成本陶瓷的应用领域

3.1.吸声材料

噪音是一种环境公害，有碍健康，整个社会对吸音材料的需求量很大，所以作为建筑材料，成本过高将限制其使用。因此研究开发低成本的吸音材料是一个重要方向。

泡沫陶瓷具有开口气孔和连通气孔，当声波传入时，气孔内空气受力振荡，由于气孔很小，震动会受到摩擦和阻碍，导致声音震动衰减，大部分的声能转化为热能，从而起到吸声的作用。如清华大学研制的膨胀型珍珠岩装饰吸音板可用于房屋天花板的装饰，其抗弯强度达1.47MPa，平均吸音系数为25％，可作为中低档住宅、会议厅、公共场所的内装饰材料。

3.2隔热保温材料及换热材料

泡沫陶瓷中闭合气孔的存在，减少了热对流，降低了导热率，使泡沫陶瓷具有热传导率低、抗热震性能优良等特性，是一种理想的耐热材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料，使用温度高达1600℃，热阻巨大,使得它可作为隔热保温材料使用,世界上最好的隔热材料正是这类材料,称为“超级隔热材料”,其传热系数比硬质聚甲酸乙酯泡沫低上千倍，可用于高级保温,如保冷集装箱；再高级的泡沫陶瓷隔热材料还可用于航天飞机外壳,隔热质轻;还用于导弹头,做为强迫发汗体系的构件。

在民用建筑领域，可做成保温板材、墙体，起到极好的保温效果。另外，由于泡沫陶瓷的泡沫特性以及它耐热、耐蚀、不污染、经济等优点，还可用作换热材料，如用在冶金、陶瓷、石油、化工的回热上。

4.结论

简单、廉价、经济是实用化的必要前提。低成本的泡沫陶瓷制备方法研究是未来发展的一个热点。从原料上控制成本，采用矿渣系原料，兼顾环境友好；简化现有的泡沫陶瓷制备工艺；采用新的泡沫陶瓷制备方法。

参考文献

[1]吴兴才，胡多朝，鲁德忠.利用煤矸石制备微米级泡沫陶瓷[J].煤炭科学技术，1998, 16 (03): 23-24

[2]王健，金鸣林，魏林，等.用粉煤灰制备新型水处理滤料[I].化工环保，2003(12): 352-357

[3] Dhara S, Pradhan M, Ghosh D, et al. Nature inspired novel processing routes for ceramic foams [J]. Adv Appl Ceram, 2005，104 (1): 9-21.

[4]毛小建，王士维.高孔隙率泡沫陶瓷的制备方法.中国发明专利，200510027545.2. 2005.

[5]钱军民，金志浩，乔冠军.木材陶瓷研究进展[J].无机材料学报，2003, 18 (4): 716-724.

[6] Sepulveda P, Binner J G P. Evaluation of the in situ polymerization kinetics for the gelcasting of ceramic foams [J]. Chem Mater, 2001. 13: 3882-3887

[7] Fukasawa T. Ando M. Synthesis of porous ceramics with complex pore structure by freeze-dry processing[J]. J Am Ceram Soc. 2001, 84(1): 230-232