多孔材料(综述)

多孔陶瓷材料的制备及其应用丁正平摘要:多孔材料由于其孔结构所具有的性能，在工业和社会生产中作用显著，本文第一章简述了多孔材料的分类、与传统材料的差别、制备的一般方法、评价体系以及应用。多孔材料主要分为两大类多孔陶瓷和多孔金属材料。多孔陶瓷由于既具有陶瓷的一般性质又具有独特的多孔结构，因而既具有一般陶瓷的性质，比如：耐热性能、稳定的化学性能、一定的强度；同时具有孔结构的渗透性能、吸声性能等等，因而在很多方面具有应用。本文综述了多孔陶瓷的几种制备方法、性能表征、以及几个方面的应用。关键词：多孔陶瓷制备应用目录1.多孔材料································································11.1多孔材料的概念·····················································11.2多孔材料的分类·····················································11.3多孔材料的性能特点·················································21.4一般多孔材料的制备方法·············································31.5成品的评价系统·····················································31.6多孔材料的应用·····················································32.多孔陶瓷································································42.1概述·······························································42.2性能特点···························································42.3多孔陶瓷制备方法···················································42.4性能及表征························································102.5多孔陶瓷的应用··················································142.6前景与展望······················································16参考文献································································181多孔材料1.1多孔材料的概念多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。这些支柱或者平板通常被称为固定相，起到支撑整个材料的作用，材料的力学性能主要取决于固定相的性能，孔洞中填充的物质称之为流动相，根据填充物物理状态的不同，又可以细分为气相和液相，气相的较为常见，整个多孔材料就是由固定向和流动相组成。典型的孔结构有：一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构；由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料；更为普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构,通常称之为“泡沫”材料。根据功能材料的要求，多孔材料的具备以下两个要素:一是材料中必须包含大量的空隙；二是材料必须被用来满足某种或者某些设计要求已达到所期待的某种性能指标，多孔材料中的空隙相识设计者和使用者所希望得到的功能相，为材料的性能提供优化作用[1]。多孔材料在自然界中很常见，而且具有一些优良的力学性能，被人们广泛利用。最为常见的就是木材，木材中间有很多细小的空洞，在多年前的古埃及金字塔中就已经使用了这些基本的多孔材料，古罗马时代还被用于酒瓶的瓶塞。而人类的骨骼，也可以称得上是多孔材料，具有低密度和高的机械强度的特点。传统的多孔材料，孔隙直径相对而言很大，达到了毫米级别，而现代制备的多孔材料，不仅包含了大孔径的，还有孔径达到了几十纳米的，获得了在性能上与传统材料有差别的新型多孔材料。现代的多孔材料中，其中最简单的是由大量相似的棱形孔洞组成的蜂窝状材料，可用作轻质构件。更常见的是高分子泡沫材料，其用途广泛，可用于减少器件碰撞的减缓泡沫。1.2多孔材料的分类目前无机多孔材料中的研究主要集中在两大类，金属多孔材料和多孔陶瓷材。1.3多孔材料的性能特点烧结多孔材料虽然力学性能和耐腐蚀性能等因存在孔隙而不如致密金属，但有些性能如热交换能力、电化学活性、催化作用等却因比表面增大而比致密金属好得多。多孔材料还具有一系列致密金属所没有的功能，如孔隙能透过气、液介质，能吸收能量，或起缓冲作用。烧结多孔材料因用途不同而各具特殊性能，如对过滤材料要求过滤精度、透过性和再生性；对某些多孔材料要求热交换效率、电化学活性、声阻性、电子发射能力等。具体来说,多孔材料一般有如下六种特性:1.3.1机械性能的改变应用多孔材料能提高强度和刚度等机械性能,同时降低密度,这样应用在航天、航空业就有一定的优势,据测算,如果将现在的飞机改用多孔材料,在同等性能条件下,飞机重量减小到原来的一半。应用多孔材料另一机械性能的改变是冲击韧性的提高,应用于汽车工业能有效降低交通事故对乘客的创造伤害。1.3.2对机械波及机械振动的传播性能的改变波传播至两种介质的界面上时,会发生反射和折射。由于多孔的存在,增多了反射和折射的可能,同时衍射的可能也增多了。所以多孔材料能起到阻波的作用。利用这种性质,多孔材料可以用作隔音材料、减振材料和抗爆炸冲击的材料。1.3.3、对光电性能改变多孔材料具有独特的光学性能,微孔的多孔硅材料在激光的照射下可以发出可见光,将成为制造新型光电子元件的理想材料。多孔材料的特殊光电性能还可以制出燃料电池的多孔电极,这种电池被认为是下一代汽车最有前途的能源装置。1.3.4、选择渗透性由于目前人们已经能制造出规则孔型而且排列规律的多孔材料,并且,孔的尺寸和方向已经可以控制。利用这种性能可以制成分子筛,比如高效气体分离膜、可重复使用的特殊过滤装置等。1.3.5、选择吸附性由于每种气体或液体分子的直径不同,其运动的自由程不同,所以不同孔径的多孔材料对不同气体或液体的吸附能力就不同。可以利用这种性质制作出用于空气或水净化的高效气体或液体分离膜,这种分离膜甚至还可重复使用。1.3.6、化学性能的改变多孔材料由于密度的变小,一般材料的活性都将增加。基于具有分子识别功能的多孔材料而产生的人造酶,能大大提高催化反应速度。1.4多孔材料的评价体系表征多孔结构的主要参数是：孔隙度、平均孔径、最大孔径、孔径分布、孔形和比表面。孔径常用气泡法、气体透过法、吸附法和汞压法等来测定，比表面常用低温氮吸附法和流体透过法来测定。1.5多孔材料的制备方法1.5.1多孔金属材料，制备金属多孔材料的方法很多，按照工艺的划分，可以分为三类：固态金属烧结法、液态金属凝固法和原子离子态金属沉积法[2]。1.5.2多孔陶瓷比较成熟的方法有粉末烧结法、浆料固结法、有机泡沫浸浆法、溶胶-凝胶法，新的制备技术有：微波加热工艺、颗粒堆积工艺、水热-热静压工艺，玻璃分相腐蚀工艺，注凝成型工艺、凝胶铸造工艺、模板填隙工艺等[3-5]1.6多孔材料的应用1993年5月，美国一个多孔材料研究工作组(PorousMaterialsEXPO.Albuquerque.NewMexico）确立了以下十个方面作为多孔材料在工业生产上的可能应用:①高效气体分离膜;②化学过程的催化膜;③高速电子系统的衬底材料;④光学通讯材料的先驱体;⑤高效隔热材料;⑥燃料电池的多孔电极;⑦电池的分离介质和电极;⑧燃料(包括天然气和氢气)的存储介质;⑨环境净化的选择吸收;⑩可重复使用的特殊(HEPA-型)过滤装置。[6]2多孔陶瓷2.1多孔陶瓷的概述多孔陶瓷是一种经高温烧成、内部具有大量彼此相通并与材料表面也相贯通的孔道结构的陶瓷材料。多孔陶瓷的种类很多,目前研制及生产的所有陶瓷材料几乎均可以通过适当的工艺制成多孔体。典型的孔结构有：一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构；由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料；更为普遍的是由大量多面体形状的孔洞在空间聚集形成的三维结构,通常称之为“泡沫”材料。如果构成孔洞的固体只存在于孔洞的边界(即孔洞之间是相通的)，则称为开孔；如果孔洞表面也是实心的，即每个孔洞与周围孔洞完全隔开，则称为闭孔；而有些孔洞则是半开孔半闭孔的。两种陶瓷都展现了各向同性的微观形貌，但是孔隙率、孔径、比表面积、渗透率都不尽相同，其中由于蜂窝陶瓷的孔径较大且为开孔结构，因而在渗透率方面展现出了比泡沫陶瓷更好的性能。制备多孔陶瓷的制备方法有很多，基本的原理是粉料成型以后放入炉子里面在一定温度下进行烧结，最后得到多孔材料。其与致密陶瓷不同的地方在于，在这些工艺中加入了可以产生多孔结构的工艺或者技术，比如在成型过程中添加孔结构的机械成孔法、模板复刻法、粉末堆积法、发泡法、升华干燥法、纳米浇铸法；或者是在烧结过程中产生气泡，比如：起泡剂法、有机泡沫浸渍法、反应结合法、自蔓燃高温合成法。制造多孔材料的原料，可根据用途和性能要求，选用球形和不规则形状的粉末或金属纤维。用球形粉末易于获得流体阻力小、结构均匀、再生性好的过滤和流态控制用的多孔材料，但这种粉末制品的力学性能不如不规则形状粉末的制品。不规则形状粉末或纤维用于制造孔隙度高的材料。为了获得由粉末颗粒叠排造成的多孔结构，制造多孔材料的成形压力和烧结温度一般低于制造烧结致密材料。2.2多孔陶瓷的性能特点(1)气孔率高。多孔陶瓷的重要特征是具有中较多的均匀可控的气孔。气孔有开口气孔和闭口气孔之分，开口气孔具有过滤、吸收、吸附、消除回声等作用，而闭口气孔则有利于阻隔热量、声音以及液体与固体微粒传递。(2)强度高。多孔陶瓷材料一般由金属氧化物、二氧化硅、碳化硅等经过高温煅烧而成，这些材料本身具有较高的强度，煅烧过程中原料颗粒边界部分发生融化而粘结，形成了具有较高强度的陶瓷。(3)物理和化学性质稳定。多孔陶瓷材料可以耐酸、碱腐蚀，也能够承受高温、高压，自身洁净状态好，不会造成二次污染，是一种绿色环保的功能材料。(4)过滤精度高，再生性能好。用作过滤材料的多孔陶瓷材料具有较窄的孔径分布范围和较高的气孔率与比表面积，被过滤物与陶瓷材料充分接触，其中的悬浮物、胶体物及微生物等污染物质被阻截在过滤介质表面或内部，过滤效果良好。多孔陶瓷过滤材料经过一段时间的使用后，用气体或者液体进行反冲洗，即可恢复原有的过滤能力。2.3多孔陶瓷的制备工艺2.3.1机械成孔法本工艺的特点是靠设计好的多孔金属模具来成孔。将制备好的泥条通过一种具有蜂窝网格结构的模具挤出成型,经过烧结就可以得到最典型的多孔陶瓷即现用于汽车尾气净化的蜂窝状陶瓷172。此外,也可以在多孔金属模具中利用泥浆浇注工艺获得多孔陶瓷182。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,对于蜂窝陶瓷最常见的网格形状为三角形、正方形。其缺点是不能成形复杂孔道结构和孔尺寸较小的材料[7]。2.3.2自蔓延高温合成(SHS)工艺制取多孔材料的另外一种新方法--燃烧合成法,是一种很有特色的方法,燃烧合(CombustionSynthesis),又称自蔓延高温合成(Self-PropagatingHigh-TemperatureSynthesis,即SHS)。用燃烧合成技术制备多孔材料的主要过程是放热反应,化学反应释放出来的热量维持反应的自我进行,合成新物质的同时获得了所期望的多孔材料,包括具有一定形状的多孔材料。这项研究工作俄罗斯结构宏观动力研究所托木斯克分部做得比较多[6]。燃烧合成过