泡沫陶瓷材料概况隋鹤（青岛农业大学资源与环境学院 266109）【摘要】：泡沫陶瓷材料的发展始于20世纪70年代,是一种具有高温特性的多孔材料。

其孔径从纳米级到微米级不等,气孔率在20%～95%之间,使用温度为常温～1600℃。

泡沫陶瓷一般可以分为两类,即开孔(网状)陶瓷材料以及闭孔陶瓷材料,这取决于各个孔穴是否具有固体壁面。

如果形成泡沫体的固体仅仅包含于孔棱中,则称之为开孔陶瓷材料,其孔隙是相互连通的;如果存在固体壁面,则泡沫体称为闭孔陶瓷材料,其中的孔穴由连续的陶瓷基体相互分隔。

但大部分泡沫陶瓷既存在开孔孔隙又存在少量闭孔孔隙。

一般来说孔隙的直径小于2nm的为微孔材料;孔隙在2～50nm之间的为介孔材料;孔隙在50nm以上的为宏孔材料。

引言自1978年美国发明了利用氧化铝、高岭土等陶瓷料浆成功研制出泡沫陶瓷,用于铝合金铸造过滤之后,英、日、德、瑞士等国家竞相开展了研究,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A12O3、ZrO2、SiC、氮化硅、硼化物等高温泡沫陶瓷,有的还加入了一定的矿物,如莫来石、堇青石、粉煤灰、煤矸石等,产品已系列化、标准化,形成了一个新兴产业, 其分类如表所示。

我国在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。

但是我国的泡沫陶瓷从整体技术水平上与国外相比还有一定的差距。

泡沫陶瓷是具有三维空间网架结构的高气孔率的多孔陶瓷体,其造型犹如钢化了的泡沫塑料或瓷化了的海泡沫陶瓷的分类材料类型骨料耐蚀性温度(℃)高硅质硅酸盐材料瓷渣耐水性,耐酸性 700 铝硅酸盐材料粘土熟料耐弱碱,耐酸性 1 000 刚玉金刚砂材料电熔刚玉耐水性,耐酸性 1 600 硅藻土质粘土耐水性,耐酸性低温绵体。

由于它具有气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能,可广泛应用于热交换材料,布气材料,汽车尾气装置,净化冶金工业过滤熔融态金属,热能回收,轻工喷涂行业,工业污水处理,隔热隔音材料,用作化学催化剂载体,电解隔膜及分离分散元件等。

近年来,多孔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领域等。

多孔陶瓷的广泛应用已引起了全球材料界的高度重视,因此,制备高强度、孔径均匀、性能稳定、高度有序的泡沫陶瓷体,拓宽和开发泡沫陶瓷在国内各行业中的应用,无疑是十分必要的。

一、泡沫陶瓷的功能特点1、过滤与分离作为过滤材料。

多孔陶瓷具备很多优点：化学稳定性好。

耐酸碱及有机溶剂；极好的耐急冷急热性能，一般工作温度可达1 000℃—1 lOO℃，特殊材料的多孔陶瓷．最高时工作温度可达1600℃；抗菌性能好。

不易被细菌降解，不易堵塞而且易生；无毒。

尤其适用于食品行业和药物的处理。

可广泛应用于各种液体过滤和气体过滤，在空气净化、工业用水、生活用水处理和污水净化等方面。

废气和废液中常常含有一些有毒有害的物质。

比如汽车尾气和发电厂烟气中的烟尘，半导体工业废水中的重金属元素等都是重要的环境污染源。

如果不加以处理。

则会造成酸雨、河流和土壤的污染等严重后果，影响人类的生存环境。

所以环境保护成为时代的主题。

各种废气、城市生活污水和工业废水都需要进行相应的过滤和分离才能排放到自然环境中。

让废气或废液通过泡沫的陶瓷体，其中的有害物质颗粒物就会被拦截或者吸附在泡沫结构中．而净化后的气体或液体就可以排放到自然界中了。

这方面的一个典型应用就是柴油机尾气过滤。

在城市中。

大量公交车都是采用柴油机发动的，但是柴油因为燃烧不完全，在尾气中存在数量巨大的微细碳粒．这也就是我们常常看到的公交车行驶中排放的“黑烟”。

这些颗粒物如果被人体吸入就会产生各种呼吸道疾病。

柴油车高温废气的除尘也是多孔陶瓷的一个应用典范。

在发达国家利用多孔陶瓷除尘是一种最新、最有效的高温烟气除尘技术。

我国有电厂几百座，工业锅炉几十万台。

每年排放的烟尘高达一亿t以上。

造成严重的环境污染问题。

如果采用泡沫陶瓷除尘将带来巨大的环保效益。

利用泡沫陶瓷具备高孔隙度且拥有相当大的热交换面积及具有良的热辐射特性不仅可以有效除去高温含尘气体。

还可节约能源。

此外，泡沫陶瓷还可做成光触媒载体．在泡沫陶瓷载体上涂覆纳米二氧化钛。

受紫外线激发，具有强烈的光催化氧化降解特性。

可催化降解有机物和微生物，从而净化空气等。

再如用泡沫陶瓷替代目前国内水处理行业使用的石英砂过滤材料后．可大幅提高水处理效率，减少环境污染，降低水处理成本。

例如，除臭用泡沫陶瓷催化器能使废水中有机溶剂、恶臭气体催化燃烧，达到除臭净化的目的；城市污水处理过程中，泡沫陶瓷材料也成为曝气处理所用材料。

泡沫陶瓷则扮演“环境净化使者”的角色。

2、隔热泡沫陶瓷的较高的气孔率和较低的基体导热系数。

使其具有热传导率低、抗热震性能优良等特性．所以这种材料具有很好的隔热保温效果。

利用这种优点可以将其用于各种防止热辐射的场合，以及用于保温节能方面。

因此从环保和节能两方面来说都是有利的。

例如，当冬天或者夏天我们在室内打开空调的时候就需要房屋具有良好的隔热能力，否则室内温度的调节就很难实现，如果房屋的隔热效果很差。

那就像开着门窗让空调工作一样，基本上不能达到调节温度的效果。

而且因为空调不停地工作而带来了电能的巨大消耗。

使用泡沫陶瓷制备的建筑材料就可以使房屋具有非常好的保温隔热效果．种先进的材料目前在国内部分新建的住宅小区和办公楼中已经得到应用。

除了日常生活中的应用．泡沫陶瓷在航空航天领域也有着重要的应用，比如航天器的热保护系统就广泛采用了泡沫陶瓷材料。

由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖，其材质有ZrO：、SiC、镁盐及钙盐等，使用温度高达1 600度，是目前世界上最好的隔热材料，称之为“超级绝热材料贯通的网状小孔结构，当声波传播到泡沫陶瓷上时，引起孑L隙中的空气振动，并与陶瓷筋络发生磨擦，由于粘滞作用，声波转换为热能而消耗。

从而达到吸收噪音的效果。

现在已经得到应用的包括安装在汽车排气管中间的泡沫陶瓷，用来减少汽车排气管的噪音。

一些新型建筑材料也广泛采用泡沫陶瓷作为墙体材料，实践证明可以达到非常好的隔音效果。

目前有人正在研究把泡沫陶瓷作为一种降音隔声屏障用于地铁、隧道、影院等有较高噪音的地方，效果很好。

近年来，随着越来越多的高等级公路建成通车，交通噪声的污染日益突出，走在城市的街道上，可以听到来自于汽车排气管、飞机以及空调压缩机工作等造成的各种让人心烦的噪声。

而这一切其实都可以通过应用泡沫陶瓷得以缓解，甚至消除。

目前。

发达国家如美国、日本、德国和澳大利亚等采用新型材料～泡沫陶瓷修建的高架桥和高速公路的消声隔音屏障，取得非常好的降嗓效果。

声屏障设置的目的是隔声降噪，因此，在声屏障的设计中除了要求有一定的隔声量外，还需借助材料本身的吸声性能来减少噪声福射强度。

在选择吸声材料时首先要满足在任何气候和室外环境，都不会改变其原有的声学特性，其次还要求有较高的强度、经久耐用、耐污染、美观，易于施工和维护，防火防潮等特性。

泡沫陶瓷能够满足以上要求．特别适宜在高温、潮湿的环境下使用，能经受风吹、日晒、雨淋和水浸，具有比较稳定的力学性能和良好的吸声性能。

因此，开展泡沫陶瓷声屏材料的研究．为开发声学性能良好、重量轻、易于安装维护的公路声屏障吸声材料具有重要的实用价值。

由于泡沫陶瓷具有很多优良的特性，及人们对生存环境改善与对绿色环保的要求越来越强烈，使得具有环保特性的各种新型泡沫陶瓷材料日益受到人们的青睐。

而如何简化生产工艺、降低成本、提高效益，不断发明新的技术和工艺来制备功能强大、性能优异的环保泡沫陶瓷材料正成为当今材料科技工作者积极思考的课题。

二、泡沫陶瓷的应用泡沫陶瓷在19 世纪70 年代发展初期，仅仅作为细菌过滤材料加以使用。

随着制备技术的发展，人们控制材料多孔结构水平显著提高，同时各种新材质高性能泡沫陶瓷材料的不断出现极大地拓宽了多孔陶瓷地应用范围。

1、过滤器泡沫陶瓷过滤器由于具有过滤面积大，热震稳定性好、化学稳定性高和良好的抗金属冲刷性能以及过滤效率好的特点，因此在金属熔体过滤净化技术中，作为一种新型高效过滤器，得到了人们的重视。

目前，它们的应用扩大到包括熔模精密铸造、钢铸造工业及工业铸件等方面，以提高铸件的机械性能、降低铸件废品率、提高铸件工艺出品率、延长金属切削加工刀具寿命等。

2、催化剂载体泡沫陶瓷具有良好的吸附能力和活性。

被覆催化剂后，反应流体通过泡沫陶瓷孔道，将大大提高转化效率和反应速率。

由于泡沫陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、低密度等特点，作为汽车尾气催化净化器载体已被广泛使用[26]。

将泡沫陶瓷汽车尾气催化器安装在汽油车排气管中，可以使汽油车排出的CO、NO有害气体转化成CO2、H2O、N2，转化率可达90% 以上；用在柴油车上，碳粒净化率在50% 以上。

当泡沫陶瓷滤芯积满碳粒时，可以采用催化氧化法或电控燃烧法再生，达到长期使用的目的。

除了作催化剂载体外，它还可以作为其它功能性载体, 例如药剂载体，微晶载体，气体储存等。

3、节能隔热材料在泡沫陶瓷中由于闭气孔的存在，降低了其放热效率，减少了热传播过程中的对流，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目前，世界上最好的隔热材料正是这类泡沫陶瓷材料，传统的窑炉和高温电炉的内衬就多为泡沫陶瓷。

它还被广泛用于航天飞机的外壳隔热。

泡沫陶瓷具有巨大的比表面积，在高温条件下，由于热交换面积大，可用作换热材料。

如把泡沫陶瓷体放在加热炉烟道口，炉内高温气体可以通过泡沫陶瓷进入烟道，同时把陶瓷体加热到接近炉内温度。

此时，泡沫陶瓷向炉内辐射热能，减少热能散失。

据有关资料介绍，可节能30%。

另外，作为核工业隔热材料使用，不会因为核辐射而降低隔热性能。

总之，泡沫陶瓷做为隔热和换热材料，节能效果显著。

4、吸声材料由于泡沫陶瓷从表面到内部具有的三维贯通的网状微孔结构，它可以使吸进的声波在孔隙中振动空气，从而与陶瓷体网络发生摩擦，通过粘滞作用使声波转变为热能而消耗，起到静音效果。

泡沫陶瓷具有吸音的功能，可用于隧道、地铁、影剧院、录音室等需要静音的环境，以及高架桥、建筑施工现场、露天变压器等高噪音场合。

由于此类陶瓷可耐气候变化，抗热、抗震和抗腐蚀，能忍受风吹、日晒、雨淋的侵蚀而不改变网状结构，同时，对其表面美化处理后不会影响其吸音效果，因而具有很好的应用前景。

5、生物材料多孔羟基磷灰石生物陶瓷的研究和应用，在生物材料工程界引起极大关注。

这是因为羟基磷灰石陶瓷与人体__骨骼、牙齿无机质的成分的成分基本相同，将其植入人体后，无排斥反应，具有良好的生物活性和相容性。

它能诱发新骨的生成，使人体保持正常的新陈代谢，是一种理想的人体骨替代材料。