多孔陶瓷及其应用

多孔陶瓷具有耐高温、耐化学腐蚀、气孔分布均匀、机械强度高和易于再可生等特点，广泛应用于化工、石油、冶炼、纺织、制药、食品、机械、水泥等各工业部门，作为过滤、分离、布气、化工填料、吸声材料、催化剂载体换热器材料、敏感元件和人工骨、齿根等材料，越来越受到人们的重视。

多孔陶瓷早在19世纪70年代就已作为X菌过滤元件使用，我国于1954年开始进行多孔陶瓷材料的研究工作，随着科学技术和工业的不断发展，各种新型多孔结构材料不断涌现，最近30多年来，多孔陶瓷应用越来越广泛。目前，已有不少单位试制、生产出适合不同用途的多孔陶瓷材料。

1液体过滤用多孔陶瓷

主要用于滤除液体中的固体杂质，在饮食行业及电子工业的高纯水处理中，还用于直接滤除水中的X菌。

用于过滤的液体介质一般为水、药液、酒液、酸性液体、碱性液体、Y机溶液、污水、油、粘性流体等。由于各种过滤介质的粘度、腐蚀性、杂质粒子的大小，温度及滤清要求等条件各不相同，因此，对多孔陶瓷的性能要求亦各不一样。刚玉质多孔陶瓷，是以不同型号的电熔刚玉或刚玉砂为骨料。制成的耐强酸、耐碱、高强、高温的多孔材料，主要用于工作环境要求产品耐高温(如1000℃以上)，耐冷热急变，耐高内压(如从高压反吹的预涂层过滤器)，而同时具有腐蚀性的条件下。碳化硅质多孔陶瓷，是以碳化硅颗粒为骨料制成的耐强酸、耐高温的多孔陶瓷元件，适用于强酸性高温液体的过滤。铝硅酸盐质多孔陶瓷，是以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线石、蓝晶石、红柱石等为骨料，制成的耐中、酸性介质，使用温度可达1000℃的多孔陶瓷元件，适用于一般液体介质的过滤。石英质多孔陶瓷，是以石英砂、河砂为骨料、制成的耐中、酸性介质的多孔陶瓷元件，适用于中、酸性液体介质的过滤。还有以石英玻璃或普通硅酸盐玻璃、糠灰、陶土、硅藻土、粘土熟料、蛇纹石及其它工业废料、尾矿等各种原料制成的多孔陶瓷材料，视其原料不同，应用于不同的工作条件。

各种多孔陶瓷均可制成不同孔径范围的产品，并可制成不同的尺寸和形状，一般为管状和板状。由于多孔陶瓷的微孔结构基本是由骨料颗粒堆积形成的，因此其孔道迂回曲折，并由于杂质粒子向多孔陶瓷的惯性冲撞，多孔陶瓷对粒子流的阻拦、静电吸引、吸附等，一般只要控制多孔陶瓷的最D孔径为液体介质中杂质粒子大小的十分之一至几十分之一，就可将杂质粒子过滤掉，曾有使用最D气孔直径为0.45um的多孔陶瓷，可以除Q直至1毫微米的全部粒子的报道。但对过滤X菌的多孔陶瓷来说，由于X菌在过滤压力下可变形，因此需控制多孔陶瓷孔径比菌体直径小。粘度较大的流体介质，可在流体中加入适量的1mm左右的硅藻土颗粒作为助滤剂，以防Z多孔陶瓷很快堵塞。

2气体过滤用多孔陶瓷

多孔陶瓷可以滤除气体中的灰尘颗粒、油污杂质，水雾乃至X菌。一般气体过滤用多孔陶瓷，最D孔径为10~120pm左右，可用于过滤压缩空气、蒸汽、氯气、氢气、焦炉煤气、二氧化硫、二氧化碳、甲烷气、乙炔气、五氧化二氮等气体。

3多孔陶瓷作为布气材料

布气材料，一是把气体分散到液体之中，二是把气体分散到固态物质之中。前者如以活性淤泥法处理污水时，以多孔陶瓷将空气均匀地分布于污水中，为好气性微生物繁殖、生活提供良好的条件。后者如用于水泥、石灰、碱粉、氧化铝等粉料输送斜槽气体分布，使粉料流态化，以利于粉料的输送。使粉体流态化的空气还可以同时用来加热、干燥、冷却粉体。

4多孔陶瓷作为隔膜材料

多孔陶瓷隔膜具有较高的耐腐蚀性和机械强度，以及高气孔率、气孔弯曲度和适宜的气孔大小，槽电压低等特性，使之成为极为优良的电解隔膜材料。多孔陶瓷电解隔膜材质多采用刚玉质、石英质、硅酸铝质、氧化铝质等，制品形状为管状或板状，采用注浆法或轧膜法(板)成形。对于制备双氧水用电解隔膜，其适宜的最D孔径为1.5um左右，表1为几种多孔陶瓷电解隔膜的性能。

另外用多孔陶瓷制成电池用的隔离板、隔离体或电解质含浸体，可用于所有的一次电池、二次电池、燃料电池、熔融盐电池，代替各种Y机元件，大大延长电池的使用寿命。如以B一A120:制品作钠一硫电池隔板。

5.多孔陶瓷吸声、消声材料

当声波入射到多孔陶瓷时，由于声波引起小孔中空气的运动，紧靠孔壁的空气受孔壁的影响不易动起来，因为空气的这种粘性，一部分声能就转变成R能，从而使声波衰减。其次，由于小孔中空气与孔壁之间的热传导而引起的热损失，也使声能得到衰减，从而达到吸声降噪的目的。

多孔陶瓷吸声材料一般由空心珍珠岩、高炉炉渣等轻质硅酸盐材料、氧化铝、硅一氧化铝、富铝红柱石等材料制成，其平均孔径为10~600um，透气率为1~40cm2.cm/ cm2秒·cmH20。假如使用时多孔陶瓷背后的空气层厚度适当，并符合噪音的频率特征，就能有效地实现防噪目的。特别是由于多孔陶瓷吸声材料具有优良的耐大气侵蚀性、耐火性、耐久性，并排水良好，不会因吸水而降低吸声性能，因而是一种特别优良的吸声材料。

对于机械设备等产生的排气噪声，一般采用金属网消声器、塑料消声器、粉末铜消声器等进行消声降噪，山东工业陶瓷研究设计院研制成功的多孔陶瓷消声器，属国JS创，它不J有优良的微孔性能，而且还具有耐高温、耐化学腐蚀、抗热冲击以及耐湿等特点，可用于高温有水蒸汽、有酸、碱腐蚀性介质等上述几种消声器不能胜任的场所，且陶瓷消声器成本低，原料来源广泛，J为粉末铜和塑料消声器成本的1/2~1/5，具有十分广阔的发展前景。

多孔陶瓷消声器由多孔陶瓷管和金属配件组成。多孔陶瓷管一般以刚玉砂、矾土熟料砂、蛇纹石等为骨料，配以适当的无机粘接剂，经捣打成形，于1000~1400℃高温下烧制而成。多孔陶瓷消声器适用于降低各种气动设备排气噪声和以蒸汽为热源直接对液体(水和溶液)进行加热所产生的噪声，减噪量可达25~45分贝。

6多孔陶瓷作为流体接触功能材料在化学反应、传热及物质移动等各种操作过程中，都存在流体接触功能的问题，近年来发展起来的泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷、薄壁波纹陶瓷等多孔陶瓷，作为流体接触功能材料，显示了其具有的优良特性。

(1)泡沫陶瓷

泡沫陶瓷是一种容重很小(0.2~0.5g/ cm*)开口气孔率很高(80~95%)、具有三维网络陶瓷骨骼结构和相互贯通气孔的新型多孔陶瓷制品。除具有耐高温、耐化学腐蚀这些多孔陶瓷固有的特性外，还因其特殊结构而具有复杂的空腔和很高的比表面积10m2/g)，对流体的阻力损失小，其气孔率、容重、阻力损失、透气度可以用工艺方法进行调整，孔径在5~100孔/时的范围内。其材质主要为英青石质、氧化铝质、革青石--氧化铝质。革青石质主要是为了提高制品的热震稳定性，氧化铝质则是为了提高其强度和耐热性。随着对制品耐热性要求的提高，也开发了碳化硅质、氮化硅质、氧化铝质制品。

气孔率很高的泡沫陶瓷，一般采用发泡法和浸渍法制备。相对于发泡法来说，用浸溃法制备的制品，其气孔更加均匀，开口气孔率较高，容重和流体阻力较小，透气度更大。发泡法使用的发泡剂有聚胺酯类、环年树酯、苯酚树酯、尿素树酯、聚乙烯、聚氧乙烯等。气孔率一般可达60~80%，容重

0.4~1.2g/cm，比表面积10m2/g左右。浸渍法制造泡沫陶瓷的方法，通常是拿一块多孔Y机泡沫塑料，例如聚胺基甲酸酯泡沫，在陶瓷泥浆中浸渍，并挤出多余的泥浆，然后干燥烧成。

泡沫陶瓷现在已经开发了多种用途。如用于铝及合金、铜及合金、锌、球墨铸铁等金属熔体的过滤，可以滤除其氧化皮和非金属夹杂，基本消除因夹杂造成的铸件缺陷，使铸造成品率成信提高。目前，泡沫陶瓷实用化的研究领域之一是捕集从柴油发动机排出的黑烟微粒的过滤器。用作这一用途的过滤器，除了要有良好的抗震动的耐久性外，还要求具有相当好的抗热震稳定性，以便能够经受当烟尘堆积时，把过滤器迅速升温至1000℃而对过滤器进行的Z生处理。而在过滤器的寿命期限内，这种Z生处理要F复进行多次，无疑泡沫陶瓷是该过滤器的优良选材。泡沫陶瓷的另一大用途是作催化剂载体，比如贵金属Pd、PtRu、Rn及NiCo等催化剂的载体，用作乙烯氧氯法制备二氯乙烷的催化剂载体，还可以作为生物酶的载体。另外泡沫陶瓷还可以作为催化燃烧板、热交换用基材，接触反应塔、气体吸收塔等的填充材料，保温、蓄热材料，高温气体过滤器、布气材料等。

(2)蜂窝陶瓷

蜂窝陶瓷具有蜂窝状的结构，其单元网眼通常为三角形、四角形、六角形等，单元网眼距为0.86~9.1mm，壁厚为0.15~0.8 mm，相应的单元网眼数为600、400、300、200、100、90、36、18、12、7个/时2，断面形状有圆形、方形、椭圆形、运动场跑道式等。可采用挤出法、模压法、金属氧化法等成形，挤出法是适于大批量生产的成形方法。蜂窝陶瓷的材质主要为英青石质、莫来石质、氧化铝质锂铝硅酸盐质、钛酸铝质、氧化锆质等。

由于蜂窝陶瓷具有较大的几何表面积和较小的体积比重及压力损失，因此其最D用途是作为催化剂载体。单元网眼间距为085~2.0mm的英青石质的可作为汽车排气净化用催化剂载体的基材;单元网眼间距为2.5~5.3mm的革青石质的可作为C臭用催化剂载体的基材;单元网眼间距为6.6~

9.1mm的莫来石质的可作为脱NOx催化剂载体的基材。草青石质蜂窝陶瓷还可以作为柴油机碳烟过滤器，该过滤器是将蜂窝陶瓷的单元网眼两端面相互交错封死，而利用多孔薄壁构成的过滤器。当气孔率为35~55%平均孔径控制在10~35um，其碳烟粒子捕集率可达40~95%。另外，蜂窝陶瓷还可以作为热交换器用蓄热体、熔融金属过滤器、化工填料窑具及隔热材料等。

(8)薄壁波纹陶瓷

薄壁波纹陶瓷是采用轧膜片相互粘接而成的。利用薄壁波纹陶瓷制成的陶瓷换热器，热效率>50%，节能在30~50%左右。可供陶瓷换热器选用的材质有SiC质(包括SiC- Si)，Si,N质(包括Sialon质)、英青石质、莫来石质及锂辉石质等。薄壁波纹陶瓷可以用于工业加热炉用换热器、气体透平机用换热器、汽车尾气净化用催化剂载体、化工填料、消烟除尘过滤板、H外线辐板、传热变换体及高温熔融金属过滤板等。

7多陶瓷敏感元件

主要用作湿度和气体敏感元件，是由于多孔陶瓷存在大量气孔，水蒸汽或气体可以通过开口气孔扩散到陶瓷内，吸附在晶体的表面，使(半导体)陶瓷的电导率产生显著变化，从而制成湿度传感器和气体传感器。多孔陶瓷敏感元件的陶瓷体是由颗粒大小处于一定范围的陶瓷粉料，外加特殊的成形结合剂和增塑剂等，用压力、轧膜、流延或注浆等方法成形，然后在合适的烧成条件下烧制而成的。适于作敏感元件的材料很多，如适于作湿敏元件的LiC1、P208 Zn0-Li,0、Tio NiFe0、Zn0、 A1:03、Fe:03、Cr:03、BaTio;等。适于作气敏元件的Sn02、Zno、-Fe203、 LaNiO(La，Sr)Co0、TiO:、Ca0- Mg0、稳定化氧化锆等。由于陶瓷材料的化学组成和显微结构，可以通过原料的选择、配F的调整、工艺条件的改变等加以控制，而使其适应各种需要，同时陶瓷传感器灵敏、准确，加之陶瓷制造工艺简单，便于批量生产，价格便宜，因此有着发展前景。

8物多孔陶瓷材料

多孔陶瓷作为生物医学工程材料，需具有与生物体亲和性好、W毒、无致癌性等特性。用人工合成的磷酸三钙，羟基磷灰石等陶瓷材料，是一种结构和无机矿物成份与T然骨非常接近的陶瓷材料，且对生物体W毒性，并与生物体亲和性相当好。采用磷酸三钙多孔陶瓷作为人造骨置换材料，将其植入骨缺损部位，新S骨则渐渐进入多孔陶瓷孔凉内，慢慢将多孔陶瓷吸收，最终，这种确酸三钙多孔陶瓷将完全被新S骨取代，生物体内不残留任何异物。将Ti、Ta等金属外侧包一层磷酸三钙陶瓷和磷酸酯的复合材料作为人造齿根，并在金属外露的一端顶部装上假牙，就可制成人造牙齿。羟基磷灰石多孔陶瓷作为骨置换材料，用来修补头盖骨、下颡骨、大腿骨、上腕骨、胫骨和脊椎骨等已获成功，植入皮下能够长期固定，且不易G染。羟基磷灰石也可以作为人造齿根。

由于多孔陶瓷独J的多种优良特性，随着微孔结构控制技术的进步，确信多孔陶瓷的应用范围会不断扩大。