泡沫陶瓷的研究现状和发展前景

2019-10-22 版权声明 举报文章

摘要 本文综述了泡沫陶瓷材料的制备工艺和各国的发展现状。介绍了泡沫陶瓷的分类方法和性能特点,并对泡沫陶瓷的未来发展进行了展望。

关键词 泡沫陶瓷,制备工艺,性能,分类

1 前言

自20世纪中期,陶瓷材料越来越受到人们的重视,尤其是1940年后出现的新型陶瓷,随着对材料要求的进一步提高,人们逐渐认识到陶瓷所具有的很多优良特性,如其它材料无法比拟的耐蚀、耐热、高硬度特性。进入21世纪,各国政府高度重视新能源和新材料的开发、减少能源与材料的浪费和消耗,泡沫陶瓷材料的开发就是在这种大背景下提出的,特别是全球经济进入高速发展后,世界工业的发展和变革,为泡沫陶瓷的发展和应用提供了巨大的舞台。

泡沫陶瓷的发展始于20世纪70年代,它是一种气孔率高达70~90%,体积密度只有0.3~0.6g/cm3,具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构的多孔陶瓷制品。作为一种新型的无机非金属过滤材料,它除了具有耐高温、耐腐蚀等一般陶瓷所具有的性能外,泡沫陶瓷还具有质量轻、气孔率高、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、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点,与传统的过滤器如陶瓷颗粒烧结体、玻璃纤维布相比,不仅操作简单、节约能源、成本低,而且过滤效果好。泡沫陶瓷被广泛地应用于冶金、化工、轻工、食品、环保、节能等领域。

2 泡沫陶瓷的应用现状

2.1国外的发展情况

1978年,美国人Mollard F R和Davidson N等利用氧化铝、高岭土等陶瓷浆料制作出了泡沫陶瓷,并将其应用于熔融金属铸造过滤,显著地提高了铸件质量,降低了废品率。之后,英、日、俄、德、瑞士等国竞相开展了研究。生产工艺日益先进,技术装备越来越向机械化、自动化发展。已研制出多种材质、适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器,如堇青石、莫来石、Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4等高温泡沫陶瓷,产品已系列化、标准化,形成了一个新兴产业。

目前,国际上工业发达国家的铸造行业。已普遍采用金属熔体过滤工艺。这些国家的使用表明,运用泡沫陶瓷过滤技术可使铸件夹杂物含量大幅降低、合格率大幅度提高(可提高50%以上),可提高铸件的机械性能、延长金属切削加工的刀具寿命。据报道,在生产生铁铸件时,采用泡沫陶瓷过滤器,可使产品的合格率提高到80%。当灰口铁和可锻铸铁采用泡沫陶瓷过滤器进行净化、生产汽车用曲轴时,仅机械加工车间的废品率就从35%降低到0.3%。在连续铸钢中,采用泡沫陶瓷过滤,能使不锈钢中非金属夹杂物的含量大约减少20%。英国Foseco公司研制的泡沫陶瓷过滤器可消除比10μm小得多的夹渣,经过滤的铝合金压铸件比过滤前的铸件在机加工时刀具磨损量减小50%,过滤使铁素体球铁的疲劳强度提高10%左右,道具磨损减少0.04~0.1mm。

2.2国内的应用进展情况

在国内,随着对金属制品纯度、性能等要求的提高,泡沫陶瓷过滤技术及其产品的应用日益重要。泡沫陶瓷过滤技术在冶金铸造工业方面的应用也越来越广。

我国在80年代初开展泡沫陶瓷的研究工作,哈尔滨理工大学于1982年最早研制出用于铝合金过滤的泡沫陶瓷过滤器。此后,该校又陆续开发出可用于黑色金属过滤的泡沫陶瓷过滤器。在此期间,沈阳铸造研究所、上海机械制造工艺研究所、湖北省机电研究设计院、南昌航空工业学院、东风汽车公司等单位也先后开展了泡沫陶瓷过滤器的研究工作,并均取得丰硕成果。

近20多年来。已先后有多家科研机构和厂家进行了泡沫陶瓷制品的探索研究。熔融金属过滤用泡沫陶瓷国产产品已基本上可满足日益增长的国内需要,有的品种还大量出口,只有少数高端产品尚需进口。

3 泡沫陶瓷的分类和性能

3.1泡沫陶瓷的分类

泡沫陶瓷有多种分类方法。按孔隙之间关系可分为:闭口气孔和开口气孔两种。闭口气孔是指陶瓷材料内部微孔分布在连续的陶瓷基体中。孔与孔之间相互隔离:开口气孔包括材料内部孔与孔之间相互连通和一边开口、另一边闭口形成不连通气孔两种。

泡沫陶瓷按材质又可分为以下几种:

(1)铝硅酸盐材料。以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线石和合成莫来石质颗粒为骨料,具有耐酸性和耐弱碱性,使用温度达1000~C。

(2)高硅质硅酸盐材料。主要以硬质瓷渣、耐酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料生产,具有耐水性和耐酸性,使用温度达700~C。

(3)陶质材料。组成接近高硅质硅酸盐材料,是一种主要以多种粘土熟料颗粒与粘土等混合而得到的微孔陶瓷材料。

(4)硅藻土质材料。主要以精选硅藻土为原料,加粘土烧结而成,用于精滤水和酸性介质中。

(5)刚玉和金刚砂材料。以不同型号的电熔刚玉和碳化硅颗粒为骨料,具有耐强酸、耐高温特性,耐高温可达1600~C。

3.2泡沫陶瓷的性能

3.2.1气孔率

泡沫陶瓷的气孔率为70~90%,对多孔陶瓷来说,这是最高的。蜂窝陶瓷的气孔率约为60%,陶瓷颗粒烧结体的气孔率约为30~50%。

3.2.2抗弯强度

泡沫陶瓷的强度主要依赖于陶瓷材质和网络骨架的粗细。骨架的粗细可以用泡沫陶瓷的体积密度来表示。若使骨架变粗可以提高体积密度,增加制品的机械强度。但提高得过多,气孔孔隙会被料浆堵塞,压力损失变大。对于蜂窝陶瓷来说,在格子平行的方向、垂直方向和斜度方向强度相差很大,而泡沫陶瓷是一种三维方向一致的结构体,其强度没有方向性的变化。

3.2.3热震稳定性和网眼孔径

当泡沫陶瓷作为熔融金属的过滤材料时,由于其使用于温度骤变的场合,必须具有良好的抗热震稳定性。另外,由于金属熔体的粘度、密度及流动性不同,应选择不同大小的滤板网眼孔径。泡沫陶瓷的网眼孔径一般可控制在0.2~3mm范围内,通常分为粗、中、细孔三个等级。

而且,泡沫陶瓷材料微孔的表面化学特性和微孔的尺寸特性对泡沫陶瓷的性能有着重大的影响。而决定微孔的表面化学特性的因素有陶瓷的组成、状态和微孔的表面处理等方面。如:吸附性能是由微孔表面物质的化学组成、结晶构造、非晶质的有无来决定的。微孔的尺寸特性中,微孔直径、分布、形式、比表面积等对其过滤、分离性能有很大的影响。

4 泡沫陶瓷的制备工艺

泡沫陶瓷材料的制备方法有很多种,其中应用比较成功的有:有机物燃烧法、添加造孔剂法、发泡法、有机前驱体浸渍法及溶胶一凝胶方法等。

4.1发泡法

采用反应发泡的方法,可以制备出形状复杂的泡沫陶瓷制品,以满足一些特殊场合的应用。在陶瓷粉料中加入适当的陶瓷纤维,有望改善这一工艺,有效增加坯 体在烧结过程中的强度,避免粉化和塌陷。发泡反应法的工艺较复杂,不易控制,且制备出的泡沫陶瓷易出现粉化剥落现象并且含有大量闭气孔,因此在实际制备中较少被采用。

4.2溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法,在化学合成中占有重要地位。在制备玻璃、陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得重要应用,更广泛用于制备纳米粒子。溶胶一凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中,然后经过水解反应生成活性单体,活性单体进行聚合,开始成为溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶,经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要的材料。

溶胶一凝胶法主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料,本方法经改进后也可以制备高规整度的泡沫陶瓷材料。运用溶胶一凝胶技术制备泡沫材料。在溶胶向凝胶的转化过程中,体系的粘度迅速增加。从而稳定了前期产生的气泡,有利于发泡。该工艺与其他工艺相比有其独特之处,现在正成为无机薄膜制备工艺中最为活跃的研究领域。

4.3添加造孔剂工艺

此工艺是通过在陶瓷配料中添加造孔剂,利用造孔剂在坯体中占据一定的空间,然后经过烧结,造孔剂离开基体从而形成气孔来制备泡沫陶瓷。虽然在陶瓷工艺中。采用调整烧结温度和时间的方法可以控制产品的孔隙度和强度,但对于多孔陶瓷,温度太高,会使部分气孔封闭或消失。温度太低,则产品强度低;而采用添加造孔剂的方法则可以避免上述缺点,使产品既有好的孔隙度又有好的强度。这种工艺方法的关键在于造孔剂种类和用量的选择。

4.4有机泡沫浸渍法

有机泡沫浸渍工艺是Schwartzwalder在1963年发明的,该方法利用有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构,将制备好的料浆均匀地涂覆在有机泡沫网状体上,干燥后烧掉有机泡沫体从而获得一种网眼多孔陶瓷。该方法通过控制浆料性能,优化无机粘结剂体系,严格控制浆料浸渍工艺过程,可制备出高性能的泡沫陶瓷制品,是目前泡沫陶瓷最理想的制备方法。用这种成形方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域获得大量应用。

4.5自蔓延高温合成工艺

1967年,苏联科学家Mazhanov AG发明了自蔓延高温合成工艺(SHS),又称为燃烧合成法。该方法高效、节能,可以制备出性能优良的陶瓷材料,其产品具有较高的孔隙率,因此常用该方法制备具有联系网格结构的陶瓷材料。其基本思路是:当温度高于必要的点火温度时,诱发体系产生局部的化学反应。该反应是放热反应,在持续放热下,燃烧将涉及到整个体系。SHS的本质是一种高放热无机化学反应,近年来该SHS技术受到了广泛的关注。

4.6凝胶注模工艺

美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺,它是一种被广泛应用的新型成形方法。这种新的成形技术采用非孔模具,利用料浆内部或少量添加剂的化学反应使陶瓷料浆原位凝固形成坯体,获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯,从而显著提高材料的可靠性。该工艺可以使悬浮体泡沫化。而且能使液体泡沫原位聚合固化。作为制备多孔陶瓷的一种新方法,悬浮体泡沫化显然最经济,原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构,强度较高。Pilarsepulveda使用该工艺制备的多孔氧化铝陶瓷,其抗弯强度高达26MPa,孔隙率高达90%。

5 结 语

综上所述,泡沫陶瓷的研究与发展已经受到人们的普遍重视,特别是在冶金、化工、环保、节能、医学、电子等方面的应用越来越广泛,进一步的开发、应用和推广将会给现代工业和现代生活带来极大的经济和社会效益。今后要进一步完善泡沫陶瓷材料的基础理论研究,提高泡沫陶瓷本身的材料性能,拓宽其应用领域,完善泡沫陶瓷的制造工艺,实现机械化生产,进一步加大研究、开发和应用力度。

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