泡沫陶瓷的制备

泡沫陶瓷的制备

1、文献综述

1.1 泡沫陶瓷的研究现状

中国在20世纪80年代初开展泡沫陶瓷研究工作，近20年来，先后有十几家科研机构和厂家报道了泡沫陶瓷制品的研究，并取得了一定的成绩。

1985年，哈尔滨工业大学成功研制出用于铸铁、不锈钢过滤的泡沫陶瓷过滤器，填补了我过的空白。山东工业陶瓷研究设计院是国内研究、开发泡沫陶瓷较早的单位，目前开发的产品品种、质量以及生产能力居国内前列，并制定了《泡沫陶瓷过滤板》建材行业标准。

泡沫陶瓷是一种孔隙率高达70～90%，具有三维立体网络骨架结构和贯通气孔新型非金属多孔材料。碳化硅陶瓷具有优良的综合性能和广泛的应用前景，是制备泡沫陶瓷的首选材料之一。碳化硅材料是共价键极强的化合物，具有良好的高温性能、蠕变性能、耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性、抗热震性，与氧化物陶瓷相比，它有好的热导率和抗热震性。采用碳化硅制备泡沫陶瓷，可使SiC 泡沫陶瓷具有优良的耐高温、耐磨损和抗腐蚀等性能，可应用于航空、电子、医用材料及生物化学等领域。

目前我国用于有色金属熔体即铝铜合金熔体过滤的泡沫陶瓷过滤板，其产品质量可与国外媲美，但是目前还未形成生产规模，尚处于开发阶段。为了得到性能优异的泡沫陶瓷，制备工艺在不断的改进，最为可行的是有机泡沫浸渍法。上海硅酸盐研究所用有机泡沫浸渍法来制备SiC 泡沫陶瓷，收到了良好的效果。

到了20世纪70年代，一些发达国家在此种材料上的开发和使用上得到了长足的发展。1963年发明了制造高气孔率多孔陶瓷的有机浸渍法，使多孔陶瓷的制备又迈上了一个新的起点。从此，欧美国家就积极开展该工艺的研究，并研制出可过滤大多数有色金属和合金铸件的多种材质的泡沫陶瓷过滤器，这些国家已有先进的成型、烧成设备和完善的生产工艺制度，可实现大规模连续化生产。

2、实验

2.1 实验原料与设备

2.1.1 化学仪器

烧杯、玻璃棒、量筒、电子天平、干燥箱、高温电炉、研钵、水浴坩埚 2.1.2 试验药品及材料

前驱体(如聚氨基甲酸乙酯) 、工业氧化铝、高岭土、滑石粉、氢氧化钠以及制

备浆料所需材料等。 2.2 实验过程

本实验采用有机前驱体浸渍法，有机前驱体浸渍法是指将处理好的有机前驱体(通常采用聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料) 浸入预先准备好的陶瓷浆料中，使浆料充分浸润有机前驱体，然后采用揉搓、滚压等方法将多余浆料排除，并反复多次，以使浆料均匀附着在前驱体网状结构的网丝上，经过干燥然后烧成。

其典型的工艺流程如图1所示。

2.2.1 选择前驱体

前驱体要亲水性强、气孔均匀、弹性高、抗拉强度大、气孔率高且具有三维网架结构。泡沫陶瓷制品的气孔均匀性、气孔大小和气孔率的高低在很大程度上取决于有机前驱体。因此，应根据制品对气孔大小和气孔率高低来选择相应的前驱体。本实验选用海绵作为前驱体。

2.2.2 前驱体预处理

选择好的有机前驱体必须经过预处理，因为前驱体表面可能有间膜或污染物，从而降低其亲水性和透气性。

预处理的办法是：

(a) 将前驱体浸入浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液中； (b) 在60℃下水解处理，水浴浸泡5h ； (c) 然后反复揉搓并用清水冲洗前驱体； (d) 晾干后备用。 2.2.3 陶瓷浆料的制备

泡沫陶瓷的浆料除具备一般陶瓷的浆料性能外，还需要有尽可能高的固相含量和较好的触变性。高的固相含量和粘着性可以保证陶瓷颗粒最大限度地附着在前驱体上，从而能够提高制品的机械强度。同时要求浆料触变性较高，以便在浸渍浆料和排除多余浆料时，通过剪切作用降低粘稠度，提高浆料流动性，以便于成型；而在停止成型时，浆料稠度升高，流动性降低，附着在网丝上的陶瓷颗粒容易固化而定型，以免由于浆料流动造成坯体整体均匀性下降，甚至堵孔。

浆料的组成主要取决于泡沫陶瓷制品性能要求，多以碳化硅、氧化铝等为主要成分。如氧化铝、莫来石、氧化锆、莫来石等。 实验原料成分情况如下表所示：

制备300g 堇青石所需原料配比如下： 高 岭 土：141g 滑 石：144g 工业Al 2O 3： 51g 2.2.4 调制浆料

将配备好的粉料加入适量水分别配成不同含水率的泥浆，本实验配有四组不同含水率做对照，分别为35%、40%、42%、45%。 2.2.5 浸渍和涂覆处理

浆料的浸渍和涂覆是整个工艺中非常重要的一环。

(a) 首先将有机前驱体中的空气排除，采用挤压等简易方法； (b) 再把海绵浸入浆料中；

(c) 然后采用滚压方法将多余浆料除去，并反复揉搓均匀，以使陶瓷颗粒分布均匀，防止堵孔；

(d) 根据需要重复涂覆。 2.2.6 干燥

涂覆完成后，试样在室温下养护24 h，使其自然干燥，然后使用烘箱在110℃下干燥12 h。

2.2.7 烧结

泡沫陶瓷的烧结是决定产品成败的关键。在烧结过程中，坯体发生一系列的物理、化学变化。坯体由粉末颗粒聚集体变成晶粒集合体，从而得到具体所需性能的产品。泡沫陶瓷制品烧成的关键是有机前驱体的排除，即在500℃以下的低温阶段，应采用缓慢升温，升温速率控制在30~50℃/h 左右，使有机前驱体缓慢而充分的挥发排除。若低温过程升温太快，会造成开裂和粉化现象。 本实验烧成制度

按照上述烧成制度对高温窑炉设好程序后让其运行，烧成时注意观察示数变化。待

烧成温度达1200℃后保温20分钟，关闭高温炉，待炉内冷却取出烧制品。

2.2.8 成品

3、结果与讨论

3.1 影响泡沫陶瓷制备及性能的因素 (1)泡沫陶瓷制品的气孔均匀性、气孔大小和气孔率的高低在很大程度上取决于有机前驱体，因此，应根据制品对气孔大小和气孔率高低来选择相应的前驱体。目前多用聚氨基甲酸乙酯做前驱体，它具有非常低的烧失温度，特别适用于这种场合。

(2)预处理过程是非常必要的，以除去网络间膜，保持前驱体的亲水性和透气性，防止堵孔。

(3)浆料组成的选择不同，其成品的性质也不同，如：以氧化铝骨为主要成分的泡沫陶瓷制品具有相当高的强度，抗氧性能高；以碳化硅为主要成分的泡沫陶瓷制品具有高的耐腐蚀、耐热性等。

(4)添加剂的选择也非常重要。粘接剂选用硅溶胶比较理想，它不仅使干燥素坯具有足够的强度，而且也保证最终烧结体具有足够的强度；浆料的流变性直接影响其在有机泡沫上的涂覆质量以及制品的性能。为了使浆料均匀地涂覆在有机泡沫上，要求浆料不仅具有一定的流动性，而且具有较好的触变性。

浆料的流动性能保证浆料在浸渍过程中渗透到有机泡沫所有网络中，并均匀地涂覆在泡沫网络的孔壁上。浆料的触变性可以保证浸渍浆料和挤出多余浆料时，在剪切作用下降低粘度，提高浆料的流动性，有助于成型，而在成型结束时，浆料的粘度升高，流动性降低，这就使附着在孔壁上的浆料容易固化而定型，以免因为浆料的流动造成坯体严重堵孔而影响制品的均匀性。羧甲基纤维素和粘土做流变剂可以明显改善浆料的触变性能，使浆料能够均匀地涂覆在有机泡沫的网络上。 (5)加入消泡剂可以防止浆料起泡。

(6)烧结温度对产品的影响。在500℃以下的低温阶段，应采用慢速升温，如果低温阶段升温过快，可能造成开裂和粉化现象。组成相同的坯体在温度升高时，产品机械强度的总趋势是增大的。随着烧结温度的升高，泡沫陶瓷的机械强度逐渐增加，孔隙率却逐渐减小，同时其中的大孔逐渐变成细孔；如果烧结温度过低，产品的烧结过程不能充分完成，从而导致制品的机械强度相对较低。反之，如果烧结温度过高，有可能由于坯体的熔融而无法成型。故本工艺的烧成温度以1200℃左右为宜。 3.2 影响泡沫陶瓷制品强度的因素 （1）升温速率 （2）保温时间 （3）烧成温度 3.3 讨论

干燥后的坯体在600℃以下烧掉有机泡沫体，并继续在800℃下进行预烧，这样就可以得到网眼预制体。采用粘度较低的浆料对网眼预制体进行涂覆一干燥一涂覆处理，最终的成型体在1100～1200℃烧成，关炉后自然冷却。预烧的再涂覆可以进一步改进坯体密度，增加网筋的粗细程度，从而使成品具有更好的强度。

4 、结论

泡沫陶瓷材料同传统的其它材料相比具有很多优良特性，采用有机前驱体浸渍法制备泡沫陶瓷材料时，其预处理过程、添加剂的选择、烧结温度的控制是非常必要的。

参考文献

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