泡沫陶瓷的制备方法及应用
21世纪的新材料——泡沫金属与泡沫陶瓷
２１世纪的新材料——泡沫金属与泡沫陶瓷进入二十一世纪，可持续发展已成为全人类共同关注的话题，我国政府高度重视可持续发展，将可持续发展确定为国家的重大发展战略。
如何开发新能源和新材料、减少已有能源与材料的消耗，是其中一个重要方面，已成为科技工作者共同努力的新课题，泡沫材料的开发就是在这种大背景下提出的。
泡沫材料按材料性质分为泡沫金属材料和泡沫陶瓷材料，按使用状态又可分为泡沫结构材料和泡沫功能材料。
一、轻质泡沫金属材料泡沫金属材料是八十年代后期国际上迅速发展起来的一种物理功能与结构一体化的新型工程材料。
多孔结构和金属特征使其得以具备其他实芯材料未有的功能，如防震、吸声、隔声、阻燃、屏蔽、耐候、耐湿、质轻、可渗透性等，在航空航天、交通运输、建筑、能源等高技术领域具有广阔的应用前景。
泡沫金属材料的制备方法大致可分为以下几种：（1）粉末冶金法，又可分为松散烧结和反应烧结两种；（2）渗流法；（3）喷射沉积法；（4）熔体发泡法。
在上述众多的制备方法中，除特殊要求外，作为工业大生产最有前途的是熔体发泡法，它的工艺简单，成本低廉。
熔体发泡法技术难点在于选择合适的金属发泡剂，一般要求发泡剂在金属熔点附近能迅速起泡。
世界泡沫金属材料技术开发具有两大热点，即泡沫镍和泡沫铝的开发。
泡沫镍的制备技术目前已很成熟，国内外均有不少厂家进行大批量连续化生产，如国内的长沙力元等，主要作为电池的极板材料应用于镍氢电池领域。
但随着世界锂离子电池的迅速发展，镍氢电池在世界可充电二次电池市场的需求已日趋饱和，因此泡沫镍的市场需求增长幅度逐年减缓。
泡沫铝制备技术则在航空航天、交通运输等行业的发展以及这些产业对综合性能优异的材料的巨大需求下得以迅速地发展，主要有合金气体发泡、合金发泡剂混合搅拌、金属及发泡剂混熔固结、熔融金属高压渗透等。
泡沫铝是一种高孔隙率、宏孔多孔材料。
它不仅具有优良的机械阻尼、消声降噪和电磁屏蔽等性能，而且具有轻便、坚固、耐热、美观等特点，在一些发达国家已经商品化，广泛地应用在噪声防护、电磁屏蔽、建筑装饰、吸能缓冲、医用植体、分离工程、生物工程以及国防高科技等领域。
泡沫陶瓷
浅析泡沫陶瓷外墙保温材料在施工中的应用摘要在我国，目前建筑能耗约占全社会总能耗的1/3。
如何降低建筑能耗，提高节能比例成为我国建筑行业关注的焦点。
推动绿色建筑发展对节能减排和节能降耗有着积极意义和效果。
本文通过介绍建筑外墙保温材料——泡沫陶瓷板施工系统的工作原理，为建筑墙体保温材料在施工中的应用及发展提供参考。
关键词能耗绿色建筑保温材料泡沫陶瓷板引言纵观保温市场，目前普遍使用的保温材料主要有聚苯板、挤塑聚苯板、岩棉板等。
这些保温材料存在的最大问题，一是施工过程中产生的粉尘较多，如岩棉板的玻璃丝，危害身体、污染环境。
二是防火性能差，即使是电焊产生的火星，也能使这些保温材料起火。
泡沫陶瓷保温板是一种全新的低成本绿色节能环保无机保温材料，以废弃的粉煤灰、炉渣以及粘土等为原材料，经1200℃高温煅烧而成。
绝热隔热、隔音、易成型加工及有较好的耐久性，被誉为“环保之王”。
采用外挂式施工方法对其进行安装。
建筑外墙保温经实践证明是降低建筑物能耗,延长建筑物使用寿命的有效措施之一。
其中保温材料的选择需要综合其保温性能、经济性、施工便利、使用效果等因素。
本文详细介绍了一种新型建筑墙体节能材料。
1、泡沫陶瓷保温板的优点1.1 防火性能优异经1200℃高温煅烧而成，耐高温，属A级防火材料。
泡沫陶瓷保温板抗燃性能主要包括两个方面：一是防止火焰扩散的能力，即绝热材料局部产生火焰，火焰将不扩散而自行熄灭。
二是本身的绝热性能，即使在材料一侧燃烧，另一侧的温度不会升的太高而引起火灾扩大。
与聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板相比有两个特点：一是着火时无滴浇物现象，二是在着火时表面会形成密实的碳层，阻止了保温材料的进一步燃烧。
1.2环保节能泡沫陶瓷是一种全新的低成本绿色节能环保无机保温材料，是以废弃的粉煤灰、炉渣、废玻璃、陶瓷片以及粘土、长石尾矿等为原料，经高温发泡成型的多孔无机非金属材料。
原料来源广泛，是变废为宝的典范。
材料无任何特殊气味，对于酸、碱性具有良好的抵抗性。
泡沫陶瓷及其应用
衰 ２ 泡 津 冉 瓷 的热 稳 定 性殛 膨 丹 焉敷 （ ０ ，ｃ 睢Ｉ ｘ１ 。
１ １ １ 气孔 率 ．． 泡沫 陶瓷 的气孔 率 为 ７ ％ 一９ ％ ， 多 孔 陶瓷 来 ０ ｏ 对 说 ， 是最 高 的 。蜂 窝 陶 瓷 的 气 孔 率 约 为 ６ ％ ， 这 ０ 陶瓷 颗 粒烧 结体 的气 孔 率约 为 ３ ％ 一５ ％。 ０ ０ １ １２ 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 。表 １ 出 了不 同陶 瓷材 质与不 同体积 密度 的抗弯 列
前 言
泡 沫陶瓷是 一种 气孔 率 高达 ７ ％ 一９ ％ ， 积密 ０ ０ 体 度 只有 ０ ３— ． ， ， 有三 维 立 体 网 络骨 架 和 相互 ． ０ ６ｇ 具 贯 通气孔 结构 的多 孔 陶瓷 制 品 。它 除 了具有 耐 高温 、 耐腐蚀 等一般 陶瓷 所具有 的性 能 外 ， 具有 密 度小 、 且 气 孔率 高、 比表 面积 大 ， 流 体 自扰 性强 等特 点 。 对 泡 沫 陶瓷是 １７ ９ ８年 由美 国 Ｆ． ｍ ｕ ｒ 和 Ｎ． ａ— Ｒ． ｏ 且ｄ Ｄ ｙ ｉ． ｄ ｎ等人 首 先 研 制 成 功 用 于 铝 合 金 浇 注 系统 ， 在 ￣ 并 １８ ９０年 ４月美 国铸 造 年会 上 发 表 了他 们 的研 究 成果 。 用 于熔融金 属铸 造过滤 ， 以显 著提 高铸 件 的质量 ， 可 降 低废 品率 。我 国从 ８ ０年代 初 开始 研制 泡沫 陶瓷 ， 目前
）
已在有色 合金 、 黑色 合 金 以及 气 体 净Байду номын сангаас化 催化 剂 载体 等
泡沫陶瓷
泡沫陶瓷旷峰华①李晓明②同继锋①张洪波①（①中国建筑材料科学研究总院，②北京中伦基业科技发展有限公司，北京100024）一．前言近年来，我国每年建成房屋面积高达16～20亿平方米，几乎超过了所有发达国家年建筑面积总和。
在这些新建建筑中，只有10～15%能达到国家制定的节能标准，80%以上为高耗能建筑，单位建筑面积能耗是发达国家的2～3倍。
1996年7月颁布实行的《民用建筑节能标准(采暖居住建筑部分)》以我国20世纪80年代的住宅能耗为基准，要求新建居住建筑节约采暖能耗50%，其中30%依靠提高建筑围护结构的保温性能来实现。
在建筑围护结构中，墙体在采暖能耗中所占比例最大，约占总能耗32.1～36.2%。
因此，如何改善墙体保温性能成为重中之重。
正是在这一认识的基础上，人们意识到必须全面研发和推广新型高效墙体保温体系和保温材料。
节能住宅的外墙保温分为内保温、夹心保温、外保温及综合保温四种保温形式，外墙外保温是住建部倡导推广的主要保温形式，其保温方式最为直接，效果也最好，是我国目前应用最多的一项建筑保温技术。
外墙外保温的节能核心在于外墙外保温隔热材料。
多年来，外墙外保温工程大规模应用的保温隔热材料主要有EPS〔聚苯乙烯泡沫)、XPS(挤塑聚苯乙烯泡沫)和PU〔聚氨酯泡沫)等3种，三者均属有机类保温材料。
采用这些材料构成的外保温系统防火性能差，燃烧时产生毒性烟雾，并且易产生开裂、空鼓、渗水、脱落等质量通病，使用年限较短。
近年来，央视新址附属文化中心、上海胶州教师公寓、沈阳皇朝万鑫大厦、南京中环国际广场、济南奥体中心、哈尔滨经纬360度双子星大厦等相继发生建筑外保温材料引起的火灾，国家公安部紧急出台的公消[2011]65号（简称65号文件）要求，在新标准发布前，要从严执行《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》（公通字[2009]46号）第二条规定，民用建筑外保温材料需采用燃烧性能为A级的材料，让建筑节能与防火的矛盾凸显在国人和从业者面前。
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8│中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2009(45)第 1 期8│中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2009(45)第 1 期【摘 要】:泡沫陶瓷具有气孔率高、耐高温、抗化学腐蚀、热稳定性好等优良性能，被广泛用作金属液过滤器、高温气体和离子交换过滤器、催化剂载体等方面。
介绍了泡沫陶瓷的制备方法，以及不同方法制备泡沫陶瓷的特点；并列举了泡沫陶瓷在过滤器、催化剂载体、节能隔热材料、吸声材料和生物材料等方面的应用；最后指出了当前泡沫陶瓷的研究热点和今后发展需要解决的问题。
【关键词】:泡沫陶瓷,气孔率,过滤,制备方法中图分类号:TQ174.75+8 文献标识码:A引 言泡沫陶瓷是一种造型上象泡沫状的多孔陶瓷，它是继普通多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后发展起来的第三代多孔陶瓷制品[1, 2]。
这种高技术陶瓷具有三维连通孔道，同时对其形状、孔尺寸、渗透性、表面积及化学性能均可进行适度调整变化，制品就像是“被钢化了的泡沫塑料”或“被瓷化了的海绵体”[3]。
作为一种新型的无机非金属过滤材料，泡沫陶瓷具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、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，不仅制备工艺简单，节约能源，成本低，而且过滤效果较好。
泡沫陶瓷可以广泛地应用于冶金、化工、轻工、食品、环保、节能等领域。
近年来，泡沫陶瓷的应用领域又扩展到航空领域、电子领域、医用材料领域及生物化学等领域[4]。
日本、德国及美国等工业发达国家早在20世纪70年代就已经开始了泡沫陶瓷的研制工作，并相继在汽车尾气、冶金工业熔融金属夹杂质过滤及催化剂载体等方面获得了应用，取得了非常好的效益。
我国也在20世纪80年代中期开始了泡沫陶瓷的研制工作，先后有近几十家科研机构采用多种制备工艺对泡沫陶瓷的制备进行了探索研究，研制的泡沫陶瓷在高温熔融金属、汽车尾气净化等领域达到了实用化技术水平[5]。
但是从总体上看，我国研制的泡沫陶瓷制品的种类和质量与发达国家相比仍有相当大的差距。
本文主要介绍了泡沫陶瓷的制备方法，以及不同制备方法泡沫陶瓷材料的特点，并列举了泡沫陶瓷在过滤器、催化剂载体、节能隔热材料、吸声材料和生物材料等方面的应用。
最后指出了当前泡沫陶瓷的研究热点和今后发展需要解决的问题。
1 泡沫陶瓷的制备工艺1.1 传统的制备工艺泡沫陶瓷的制备工艺很多，其中应用比较成功且开发年代较早的有：添加造孔剂工艺、发泡工艺、有机前驱体浸渍工艺、Sol-Gel 工艺、固态颗粒烧结工艺等[6]。
1.1.1 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，造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫陶瓷[7]。
造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫陶瓷材料气孔的形状和大小。
其成形方法主要有模压、挤压、等静压、注射和粉料浇注等。
该工艺可制成形状复杂及各种气孔结构的泡沫陶瓷制品，但缺点是气孔尺寸分布的可控性差、气孔率低。
1.1.2 有机前驱体浸渍工艺目前泡沫陶瓷最理想的制备方法是有机前驱体浸渍法，用此种成形方法制备的泡沫陶瓷己在多个领域获得大量应用。
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，可以制备高性能的泡沫陶瓷制品。
但是有机前驱体浸渍法工艺存在一个明显的缺陷，即制品的孔隙结构尤其是孔径取决于所选有机泡沫体的孔隙结构和孔径大小。
而目前所供选用的有机泡沫体的网眼尺寸是有限的，这在一定程度上制约了所得泡沫陶瓷材料的孔径和结构[8]。
该工艺能制备出高强度、高气孔率的制品，但不能制造小孔径闭气孔制品，而且形状受限制，密度不易控制。
为保证制品质量，选用泡沫的的气化温度要低于陶瓷体的烧结温度，而且不会污染陶瓷体。
泡沫要有一定的亲水性和足够的回弹性，能与陶瓷浆料紧密结合，能保证多余的浆料挤出后还能恢复原来的形状[9]。
1.1.3 发泡工艺该工艺是在陶瓷组分中加入有机或无机化学物质，通过化学反应等产生挥发气体，干燥后烧制成多孔陶瓷泡沫陶瓷的制备方法及应用陈军超1，任凤章1, 2，马战红1，李锋军3，赵士阳1(1河南科技大学材料科学与工程学院， 洛阳 471003；2河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室, 洛阳 471003；3中国一拖集团有限公司， 洛阳 471004)收稿日期:2008-9-23项目来源：河南省高校科技创新人才支持计划项目,编号:2009HASTIT023，河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目,编号:2005-461作者介绍：陈军超（1985－），男，河南尉氏人，硕士研究生，主要从事多孔陶瓷的研究。
E-mail: chao0312219@综述与评述文章编号：1001-9642（2009）01-0008-052009年 第 1 期中 国 陶 瓷中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2009(45)第 1 期│9体。
用作发泡的化学物质主要有：碳化钙、氢氧化钙、铝粉、硫酸铝、双氧水；由亲水性聚氨酯塑料和陶瓷浆料同时发泡制作泡沫陶瓷；用硫化物和硫酸盐混合发泡剂等[10]。
采用发泡工艺制作泡沫陶瓷的优点是容易控制制品的形状、成分和密度，特别是适合于闭气孔陶瓷材料的制造，但是此方法成型泡沫陶瓷工艺较复杂，不易控制，且制备的泡沫陶瓷易出现粉化剥落现象并含有大量闭气孔，因而在实际制备中较少被采用。
1.1.4 溶胶-凝胶工艺溶胶-凝胶法主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料。
同时该方法经改进后也可以制备高规整度泡沫陶瓷材料。
运用溶胶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[11]。
该工艺与其他工艺相比有其独特之处，它可以制备孔径在纳米级、气孔分布均匀的泡沫陶瓷薄膜，但该工艺的缺点是制品形状受到一定限制。
1.1.5 固相烧结工艺[12]固相烧结工艺利用微细颗粒易于烧结的特点，在骨料中加入相同组分的微细颗粒，在一定的温度下微细颗粒通过蒸发和迁移，在大颗粒连接部烧结，从而将大颗粒连接起来。
由于每一粒骨料仅在几个点上与其他颗粒发生连接，因而在烧结体中形成大量的三维贯通孔道。
1.1.6 挤出成型工艺挤出成型工艺是制造具有蜂窝状多孔陶瓷（即蜂窝陶瓷）的最普遍采用的方法之一。
该工艺的流程为：原料合成→混练→挤出成型→干燥→烧成→成品。
该工艺制成的多孔陶瓷体气孔尺寸、形状和孔隙率均匀，适宜批量生产，但难以制造小孔径制品是这项工艺的缺陷[13]。
在在生产过程中，核心工序之一是挤出成型，同时挤出成型模具又是挤出成型的核心技术。
该类工艺的优点在于可以根据需要对孔形状和孔大小进行精确设计，其缺点是不能成形复杂孔道结构和孔尺寸较小的材料，同时对挤出物料的塑性有较高要求[14]。
表1列出了几种工艺方法的特点及应用情况。
1.2制备工艺的新进展1.2.1 颗粒堆积成孔工艺依靠粗颗粒堆积，颗粒结合部形成多孔结构。
粗的颗粒靠细粒熔化粘合，也可以加入易熔的粘结剂结合。
这种工艺可通过调整颗粒级配对孔结构进行控制，制品的孔隙率一般为20%～30%左右，在原料中加入碳粉、木屑、淀粉等成孔剂，高温下使其挥发可将整体孔隙率提高至75%左右[16]。
1.2.2 冷冻干燥工艺这种基于冷冻原理的独特的陶瓷制备工艺可以制备具有复杂孔结构的多孔陶瓷。
其原理是在陶瓷料浆冷冻的同时，控制晶体冰单向生长，在低压条件下进行干燥处理，此时溶剂冰升华而排出，坯体中形成定向排布的孔结构，之后进行烧结。
该工艺的特点是坯体烧成收缩小、烧成控制简单、孔结构可设计性强、制品机械强度相对较好。
Takayukki Fukasawa 等[17]以水为溶剂，制备出同时含有宏观气孔和微观气孔的复合孔结构氧化铝陶瓷，制备过程中对环境不产生污染，显示出良好的环境友好性。
该工艺也可用于制备其他多孔材料，具有广阔的发展前景。
1.2.3 孔梯度制备方法[18]孔梯度陶瓷是指孔径随厚度作有规律地缩小或增大的陶瓷材料，按孔的分布状况可分为连续孔梯度陶瓷和阶梯状孔梯度陶瓷。
孔梯度多孔陶瓷的制备方法主要有致孔剂梯度排列法、有机前驱体浸渍法以及沉淀生成法表1 几种泡沫陶瓷制备工艺的比较[15]Table1 The contrast of several foam ceramics fabrication methods [15]中 国 陶 瓷2009年 第 1 期10│中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2009(45)第 1 期等。
致孔剂梯度排列法是将混有不同粒径致孔剂的骨料按致孔剂粒径从大到小的顺序一层一层的平铺在模具内，经过压制成型、干燥和烧成而制得孔梯度多孔陶瓷。
有机前驱体浸渍法是将不同孔径的有机前驱体分别浸入陶瓷浆料中，然后按孔径从大到小的顺序叠放在一起，经干燥烧成即可得到孔梯度多孔陶瓷。
沉淀生成法是将改性的不同粒度的致孔剂粉末置人同一陶瓷浆料中，会出现共同沉淀，由于不同粒度致孔剂的沉淀速率不同，可以获得不同粒度的致孔剂组分连续变化的沉积层，经干燥、成型、烧结即可获得具有孔梯度的多孔陶瓷。
最近，出现了利用离心烧结技术制备孔梯度多孔陶瓷的报道它是利用离心力使孔梯度沿径向线性变化。
1.2.4 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(Gel-Casting)[19]，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。
Gel-Casting 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，悬浮体泡沫化是最经济的，原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构且强度较高。
1.2.5 自蔓延高温合成工艺自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis，SHS)方法的概念是由前苏联科学家A．G．Mazhanov 在1967年首先提出来的[20]，SHS 的本质是一种高放热无机化学反应，其基本反应过程是：向体系提供必要能量(点火)，诱发体系局部产生化学反应，此后，这一化学反应过程在自身放出的高热量的支持下继续进行，最后将燃烧(反应)波蔓延到整个体系，从而制备出所需的陶瓷材料。
材料的SHS 技术以其高效、节能、经济和所得材料的良好性能特点而倍受瞩目。
另外，SHS 反应产物通常具有很高的孔隙率，用这一特点可用来制备具有多孔连续网络结构的陶瓷材料，通过添加造孔剂可进一步提高产物的连通开放孔隙率[21]。
因为自蔓延反应速度很快，在如此短的反应时间内使产物达到完全烧结是比较困难的，自蔓延反应后的产物可以附加一个烧结进程，以进一步提高产物的强度[22]。