1. 研究目的与意义（文献综述）

1、目的与意义

1.1研究背景

多孔陶瓷是一种内部富含气孔结构的陶瓷材料，气孔率通常为20%~97%[3]。多孔陶瓷除了具有陶瓷本身耐高温、耐腐蚀、强度高、化学性质稳定的特点外，还具有密度小、吸声、热导率低、比表面积高、绿色环保等优点，这些性能使多孔陶瓷在保温隔热、吸声降噪、过滤净化、减震和作为催化剂附载等方面有着广泛的应用。尤其是在隔热保温性能上，由于多孔陶瓷内部的气孔结构大大降低了陶瓷材料的热导率使其现在广泛应用于航天、建筑、机械、环保等领域[2]。除此之外，多孔陶瓷还可以作为发光器、传感器、细胞载体，在组织工程学和药物输送系统等方面也有着重要作用。

从20世纪七十年代起多孔陶瓷的各项性能就已经开始受到关注。早在1993年Kia等人[1]就首先开始了对多孔陶瓷的隔热性能研究，而我国对于多孔陶瓷的研究是在二十世纪末才开始。经过近十年的发展加上国家对多孔陶瓷和节能环保相关产业的重视，多孔陶瓷的研究已成为当今一大热点。经过近些年的发展多孔陶瓷个制备工艺已经日渐成熟，多孔陶瓷的生产工艺一般由粉磨、成型、成孔、烘干和煅烧组成，其中成型和成孔是制备多孔材料和影响其性能的关键。就成型方法而言目前有手工搓球成型发、成球机成型法、挤压成型法、凝胶柱模法和生物模板法等。成孔方法有致孔剂法、颗粒堆积法、发泡法、有机泡沫浸渍法和溶胶—凝胶法、冷冻干燥法等[2]。不同的成型和成孔工艺对生产的难易程度、孔的结构气孔率以及多孔材料的最终性能都有较大影响。

对于致孔剂法造孔，现在常用的发泡剂及特点如下表：

表1发泡剂的种类及特点

发泡剂种类	特点
戊烷、异戊烷等低沸点液体	本身没有发生任何化学变化、无色无味。发泡后不会留下残留物也不会产生不良影响。
硫化物	不需要预处理直接加热发泡，气体放出缓慢，有较大的发泡温度区间和较长的发泡时间。
氧化铁	通过碳粉还原氧化铁生成气体发泡，同时生成氧化亚铁还可以降低软化温度。
有机发泡剂[6]	气泡细微且均匀、分解温度较窄可以控制，产生气体以氮气为主不易从发泡体中溢出因此发泡效率高，一定温度时急剧分解气量稳定
碳粉	易于获取、价格低廉，其在高温下易于燃尽、不留杂质不与基体反应。
碳酸盐	不需要采取特殊的预处理，发泡速率相对缓慢，孔径适中但发泡不稳定，难以控制。

1.2国内外对多孔陶瓷的研究现状

在国内，孙阳等[5]以Al2O3为原料，研究了MgO添加量在此条件下可制备出气孔率为 56.8%，抗折强度为12.9MPa的Al2O3多孔陶瓷。彭俊等[8]以Al2O3粉为原料，研究了乙醇与水配比对Al2O3多孔陶瓷性能的影响。当乙醇与水的体积比为7：3 时，于1600℃保温2 h 烧成可制备出气孔率为76.91%，抗弯强度为13.08 MPa，气体渗透通量为135.6m3·( m2·h·kPa) － 1的Al2O3多孔陶瓷制品。马林等[9]以SiO2微粉、SiO2气凝胶和石英纤维为原料，水玻璃为结合剂，采用半干压成型法在100MPa下压制成坯体，经900℃保温3 h 制备出SiO2多孔陶瓷。徐子烨等[16]以不同粒径的高纯石英玻璃粉为原料，采用热压注法制备出氧化硅多孔陶瓷芯材料。随烧结温度由1160℃提高至1200℃，试样的收缩率逐渐增大，致密度提高，气孔率降低，体积密度增大，高温抗弯强度增大。烧结温度为1200℃，制品的收缩率为2.75%，气孔率为24.69%，室温和高温抗弯强度分别为25.30 和44.23 MPa。刘海燕等[17]以卵清蛋白、Y2O3稳定ZrO2和蔗糖为原料，采用发泡工艺在1500～1600℃下烧结制备出ZrO2多孔陶瓷。随着浆体的固相质量分数由20%增加至50%，在1550℃保温2 h 烧结后的制品，其总气孔率由94.55% 减小至77.24%，闭口气孔率由19.37%增加至68.35%，抗弯强度由36.8 MPa 增大至78.9 MPa。朱素娟等[15]以石英砂颗粒为骨料，CaCO3和木炭粉为造孔剂，钾长石为烧结助剂，膨润土和高岭土为结合剂，配制成一定比例后混料，采用半干压成型法制成坯体，坯体经液相烧结法制得石英多孔陶瓷。于德利等[14]以硼泥、钾长石和羧甲基纤维素钠( CMC) 为原料，在950～1200℃保温0.5～2h制备出Mg2SiO4基多孔陶瓷。在1150 ℃烧结0.5 h 可制备出气孔率30.68%，抗压强度为26.24 MPa，吸水率为14.33%的Mg2SiO4基多孔陶瓷。

在国外，sepulveda等[18]采用有机单体原位聚合的方法制备出了密度只有理论密度6％的氧化铝多孔陶瓷材料。Mamak等[11]利用表面活性剂模板法制备出介孔氧化钇稳定氧化(YSZ)．用作燃料电池的电极，测试结果表明在电极上存在氧离子与电荷传输，发生氧化还原反应，产生电能。Andrew 1 Cooper组[12]对乳状液模板法进行了深人的研究，制备出了包括SiO2质、TiO2质、ZrO2质和Al2O3质在内的多孔陶瓷材料，并表明乳状液模板法可制备开孔或闭孔(水包油型乳状液中油相量低于60％时)多孔陶瓷。Delaney等[10]以正硅酸四已酯为硅源，以真空诱导的方式制备出SiO2凝胶，经煅烧后得到比表面积为504 m2/g,孔径为7.9nm的介孔氧化硅多孔材料。Chakravarty等[13]以纳米尺寸的A1(OH)3为前躯体，在l 000～1 200℃进行等离子体放电烧结，制备出了孔隙率为20％～60％、孔径为50～200 nm、断裂强度高达400 MPa的多孔氧化铝陶瓷。Fukasaw a 等[19]以水为溶剂, 制备出同时含有单峰孔(10um)和双峰孔(10um和0.1um)的复合孔结构氧化铝陶瓷Nangrejo M R 等[7]利用陶瓷聚合物先驱体(如聚硅烷)的溶液或将第二相陶瓷粉末分散在先驱体溶液中得到的悬浮体来涂覆网眼有机体泡沫, 然后对成型体在氮气气氛保护中进行热处理而获得SiC 、SiC-Si3N4 ，其气孔率可达85 %～96 %,压缩强度为1.1～1.6MPa。

1.3研究展望

近些年来发展起了各种特点不同的陶瓷材料制备方法为我们制备物理化学性能优秀、结构可控的陶瓷材料提供了基础，拓展了多孔陶瓷的研究思路与应用用领域，随着多孔陶瓷应用范围的扩大，对多孔陶瓷的性能要求也越来越高，尤其在孔的大小、结构、气孔率、热性能、机械性能等方面提出更高的要求，同时对于环保多孔陶瓷也要求我们能够使用更加便宜易得的原料制备出性能更好的多孔陶瓷，本文除了通过利用工业废渣来实现环保型多孔陶瓷材料的制备外，还将通过对不同的制备工艺的选择和改进来探究孔结构的控制工艺以及孔结构对材料导热性能的影响规律，从而得到孔结构可以调控的泡沫陶瓷制备工艺。制备出隔热性能和机械性能更好的多孔陶瓷材料。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

通过使用工业废渣作为原料，以废弃玻璃作为助溶剂再加上一定量的粘土作为粘结剂制备环保型多孔陶瓷材料，本设计对于多孔陶瓷的制备采用挤压成型法成型在造孔方法上分别采用致孔剂法来造孔，改变造孔剂的种类与用量研究不同情况下造孔剂对孔的大小和结构的影响。进一步对多孔陶瓷的机械性能和热导率进行测试得出不同孔的结构和尺寸对于多孔陶瓷性能的影响，研究不同的造孔法对孔结构的控制工艺以及孔结构对多孔陶瓷热学性能影响规律。

2.2目标

利用工业废渣制备多孔陶瓷，测试最终样品的体积密度、抗折强度和热导率等性能并研究多孔陶瓷的制备工艺。泡沫陶瓷由于具多孔结构和低热导率使它具有良好的隔热保温效果，本论文主要研究孔结构的控制工艺以及孔结构对材料导热性能的影响规律，从而得到孔结构可以调控的泡沫陶瓷制备工艺。

2.3技术方案及措施：

2.3.1 泡沫陶瓷的制备工艺流程

图1泡沫陶瓷制备工艺流程图

实验步骤概括如下：

首先对原料进行预处理，对工业废料进行破碎、碾磨使其粒度达到实验要求。通过实验分析寻找合适的烧成温度、造孔剂、添加剂用量，然后将原料混合，采用挤压成型法成型。制得多孔陶瓷成品后测量其体积密度、气孔率、机械性能、电导率，拟采用煮沸法测定多孔陶瓷的显气孔率；用三点弯曲法在陶瓷强度综合试验仪上测试抗折强度采用x射线衍射仪测定原料及烧成制品的物相组成；用扫描电镜对试样表面进行微观结构分析。通过对制备工艺的控制选择出制得多孔陶瓷综合性能最好的制备方案并探究孔结构的控制工艺以及孔结构对材料导热性能的影响规律。

2.3.2 多孔陶瓷化学组分的确定

表2各化学组分的含量

化学组分	SiO2	CaO	Na2O	Al2O3
含量（wt%）	50~60	5~10	2~3	15~25

2.3.3对发泡剂的选择

分别选取适量有机发泡剂、碳粉、氮化铝这三种发泡剂，比较这三种发泡剂对孔隙率，孔的结构和尺寸的影响。

2.3.4陶瓷粉料的粒度选择

通常陶瓷起始粉料的颗粒大小对陶瓷材料的烧结特性和制品性能起着十分重要的作用，为了确定制备多孔陶瓷最佳的起始粉料粒度，按粒度大小制备出粗粉、中粉、细粉三种不同粒度大小的陶瓷原料。其中粗粉过50目筛，其中粉过140目筛，细粉过400目筛。

表3陶瓷原料的粒度分布

原料	粒度分布/um
粗粉	290~300
中粉	90~100
细粉	30~40

2.3.5对烧结温度与时间的选择

烧结温度初步估计在1000度到1200度左右烧结时间预计采用2h～4h。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4-12周：完成材料制备实验和性能检测，并进行实验结果进行处理分析。

第13-14周：完成材料微观结构的测试分析，撰写论文。

4. 参考文献（12篇以上）

4阅读的参考文献

[1]杨春艳等：多孔隔热陶瓷的研究进展，陶瓷学报，2014（2）：132-138

[2]欧鹏飞等：多孔陶瓷材料的制备与应用研究进展，广州化工，2010（7）：11-13