多孔材料綜述

1、多孔陶瓷材料的制備及其應(yīng)用 丁正平摘要:多孔材料由于其孔結(jié)構(gòu)所具有的性能，在工業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)中作用顯著，本文第一章簡(jiǎn)述了多孔材料的分類、與傳統(tǒng)材料的差別、制備的一般方法、評(píng)價(jià)體系以及應(yīng)用。多孔材料主要分為兩大類多孔陶瓷和多孔金屬材料。多孔陶瓷由于既具有陶瓷的一般性質(zhì)又具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，因而既具有一般陶瓷的性質(zhì)，比如：耐熱性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能、一定的強(qiáng)度；同時(shí)具有孔結(jié)構(gòu)的滲透性能、吸聲性能等等，因而在很多方面具有應(yīng)用。本文綜述了多孔陶瓷的幾種制備方法、性能表征、以及幾個(gè)方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：多孔 陶瓷 制備 應(yīng)用 目錄1.多孔材料·····

2、3;·················································

3、3;········1 1.1多孔材料的概念·······································

4、3;·············11.2多孔材料的分類···································

5、;··················11.3多孔材料的性能特點(diǎn)·····························

6、3;···················21.4一般多孔材料的制備方法····························&

7、#183;················31.5成品的評(píng)價(jià)系統(tǒng)·······························&#

8、183;·····················31.6多孔材料的應(yīng)用··························

9、83;··························32.多孔陶瓷······················&#

10、183;·········································4 2.1概述·······&

11、#183;·················································&

12、#183;·····42.2性能特點(diǎn)···········································

13、;················42.3多孔陶瓷制備方法································

14、;···················42.4性能及表征·····························&#

15、183;··························102.5 多孔陶瓷的應(yīng)用·····················&

16、#183;····························142.6 前景與展望···················&#

17、183;··································16參考文獻(xiàn)··············&#

18、183;·················································18

19、1多孔材料1.1 多孔材料的概念多孔材料是一種由相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料，孔洞的邊界或表面由支柱或平板構(gòu)成。這些支柱或者平板通常被稱為固定相，起到支撐整個(gè)材料的作用，材料的力學(xué)性能主要取決于固定相的性能，孔洞中填充的物質(zhì)稱之為流動(dòng)相，根據(jù)填充物物理狀態(tài)的不同，又可以細(xì)分為氣相和液相，氣相的較為常見(jiàn)，整個(gè)多孔材料就是由固定向和流動(dòng)相組成。典型的孔結(jié)構(gòu)有：一種是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結(jié)構(gòu)；由于其形狀類似于蜂房的六邊形結(jié)構(gòu)而被稱為“蜂窩”材料； 更為普遍的是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結(jié)構(gòu), 通常稱之為“泡沫”材料。根據(jù)功能材料的要求，多孔材料的具備以下兩個(gè)

20、要素:一是材料中必須包含大量的空隙；二是材料必須被用來(lái)滿足某種或者某些設(shè)計(jì)要求已達(dá)到所期待的某種性能指標(biāo)，多孔材料中的空隙相識(shí)設(shè)計(jì)者和使用者所希望得到的功能相，為材料的性能提供優(yōu)化作用1。 多孔材料在自然界中很常見(jiàn)，而且具有一些優(yōu)良的力學(xué)性能，被人們廣泛利用。最為常見(jiàn)的就是木材，木材中間有很多細(xì)小的空洞，在多年前的古埃及金字塔中就已經(jīng)使用了這些基本的多孔材料，古羅馬時(shí)代還被用于酒瓶的瓶塞。而人類的骨骼，也可以稱得上是多孔材料，具有低密度和高的機(jī)械強(qiáng)度的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的多孔材料，孔隙直徑相對(duì)而言很大，達(dá)到了毫米級(jí)別，而現(xiàn)代制備的多孔材料，不僅包含了大孔徑的，還有孔徑達(dá)到了幾十納米的，獲得了在性能上與

21、傳統(tǒng)材料有差別的新型多孔材料?，F(xiàn)代的多孔材料中，其中最簡(jiǎn)單的是由大量相似的棱形孔洞組成的蜂窩狀材料，可用作輕質(zhì)構(gòu)件。更常見(jiàn)的是高分子泡沫材料，其用途廣泛，可用于減少器件碰撞的減緩泡沫。1.2 多孔材料的分類目前無(wú)機(jī)多孔材料中的研究主要集中在兩大類，金屬多孔材料和多孔陶瓷材。1.3 多孔材料的性能特點(diǎn)燒結(jié)多孔材料雖然力學(xué)性能和耐腐蝕性能等因存在孔隙而不如致密金屬，但有些性能如熱交換能力、電化學(xué)活性、催化作用等卻因比表面增大而比致密金屬好得多。多孔材料還具有一系列致密金屬所沒(méi)有的功能，如孔隙能透過(guò)氣、液介質(zhì)，能吸收能量，或起緩沖作用。燒結(jié)多孔材料因用途不同而各具特殊性能，如對(duì)過(guò)濾材料要求過(guò)濾精度、

22、透過(guò)性和再生性；對(duì)某些多孔材料要求熱交換效率、電化學(xué)活性、聲阻性、電子發(fā)射能力等。具體來(lái)說(shuō), 多孔材料一般有如下六種特性:機(jī)械性能的改變應(yīng)用多孔材料能提高強(qiáng)度和剛度等機(jī)械性能, 同時(shí)降低密度, 這樣應(yīng)用在航天、航空業(yè)就有一定的優(yōu)勢(shì), 據(jù)測(cè)算, 如果將現(xiàn)在的飛機(jī)改用多孔材料, 在同等性能條件下, 飛機(jī)重量減小到原來(lái)的一半。應(yīng)用多孔材料另一機(jī)械性能的改變是沖擊韌性的提高, 應(yīng)用于汽車工業(yè)能有效降低交通事故對(duì)乘客的創(chuàng)造傷害。1.3.2 對(duì)機(jī)械波及機(jī)械振動(dòng)的傳播性能的改變波傳播至兩種介質(zhì)的界面上時(shí), 會(huì)發(fā)生反射和折射。由于多孔的存在, 增多了反射和折射的可能, 同時(shí)衍射的可能也增多了。所以多孔材料能起

23、到阻波的作用。利用這種性質(zhì), 多孔材料可以用作隔音材料、減振材料和抗爆炸沖擊的材料。1.3.3、 對(duì)光電性能改變多孔材料具有獨(dú)特的光學(xué)性能, 微孔的多孔硅材料在激光的照射下可以發(fā)出可見(jiàn)光, 將成為制造新型光電子元件的理想材料。多孔材料的特殊光電性能還可以制出燃料電池的多孔電極, 這種電池被認(rèn)為是下一代汽車最有前途的能源裝置。、 選擇滲透性由于目前人們已經(jīng)能制造出規(guī)則孔型而且排列規(guī)律的多孔材料,并且, 孔的尺寸和方向已經(jīng)可以控制。利用這種性能可以制成分子篩, 比如高效氣體分離膜、可重復(fù)使用的特殊過(guò)濾裝置等。、 選擇吸附性由于每種氣體或液體分子的直徑不同, 其運(yùn)動(dòng)的自

24、由程不同, 所以不同孔徑的多孔材料對(duì)不同氣體或液體的吸附能力就不同?？梢岳眠@種性質(zhì)制作出用于空氣或水凈化的高效氣體或液體分離膜, 這種分離膜甚至還可重復(fù)使用。、 化學(xué)性能的改變多孔材料由于密度的變小, 一般材料的活性都將增加。基于具有分子識(shí)別功能的多孔材料而產(chǎn)生的人造酶, 能大大提高催化反應(yīng)速度。1.4 多孔材料的評(píng)價(jià)體系表征多孔結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)是：孔隙度、平均孔徑、最大孔徑、孔徑分布、孔形和比表面。孔徑常用氣泡法、氣體透過(guò)法、吸附法和汞壓法等來(lái)測(cè)定，比表面常用低溫氮吸附法和流體透過(guò)法來(lái)測(cè)定。1.5多孔材料的制備方法 多孔金屬材料，制備金屬多孔材料的方法很多，按照工藝的劃分，可以分為

25、三類：固態(tài)金屬燒結(jié)法、液態(tài)金屬凝固法和原子離子態(tài)金屬沉積法2。 多孔陶瓷比較成熟的方法有粉末燒結(jié)法、漿料固結(jié)法、有機(jī)泡沫浸漿法、溶膠-凝膠法，新的制備技術(shù)有：微波加熱工藝、顆粒堆積工藝、水熱-熱靜壓工藝，玻璃分相腐蝕工藝，注凝成型工藝、凝膠鑄造工藝、模板填隙工藝等3-51.6 多孔材料的應(yīng)用 1993年5月，美國(guó)一個(gè)多孔材料研究工作組(Porous Materials EXPO.Albuquerque.New Mexico）確立了以下十個(gè)方面作為多孔材料在工業(yè)生產(chǎn)上的可能應(yīng)用:高效氣體分離膜;化學(xué)過(guò)程的催化膜;高速電子系統(tǒng)的襯底材料;光學(xué)通訊材料的先驅(qū)體;高效隔熱材料;燃料電池的多孔電極;電池

26、的分離介質(zhì)和電極;燃料(包括天然氣和氫氣)的存儲(chǔ)介質(zhì);環(huán)境凈化的選擇吸收 ;可重復(fù)使用的特殊(HEPA-型)過(guò)濾裝置。62 多孔陶瓷2.1多孔陶瓷的概述多孔陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)?、?nèi)部具有大量彼此相通并與材料表面也相貫通的孔道結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。多孔陶瓷的種類很多, 目前研制及生產(chǎn)的所有陶瓷材料幾乎均可以通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に囍瞥啥嗫左w。典型的孔結(jié)構(gòu)有： 一種是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結(jié)構(gòu)；由于其形狀類似于蜂房的六邊形結(jié)構(gòu)而被稱為“蜂窩”材料； 更為普遍的是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結(jié)構(gòu), 通常稱之為“泡沫”材料。如果構(gòu)成孔洞的固體只存在于孔洞的邊界(即孔洞之間是相通的)，則稱為

27、開孔；如果孔洞表面也是實(shí)心的，即每個(gè)孔洞與周圍孔洞完全隔開， 則稱為閉孔； 而有些孔洞則是半開孔半閉孔的。兩種陶瓷都展現(xiàn)了各向同性的微觀形貌，但是孔隙率、孔徑、比表面積、滲透率都不盡相同，其中由于蜂窩陶瓷的孔徑較大且為開孔結(jié)構(gòu)，因而在滲透率方面展現(xiàn)出了比泡沫陶瓷更好的性能。制備多孔陶瓷的制備方法有很多，基本的原理是粉料成型以后放入爐子里面在一定溫度下進(jìn)行燒結(jié)，最后得到多孔材料。其與致密陶瓷不同的地方在于，在這些工藝中加入了可以產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)的工藝或者技術(shù)，比如在成型過(guò)程中添加孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械成孔法、模板復(fù)刻法、粉末堆積法、發(fā)泡法、升華干燥法、納米澆鑄法；或者是在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生氣泡，比如：起泡劑法、有

28、機(jī)泡沫浸漬法、反應(yīng)結(jié)合法、自蔓燃高溫合成法。制造多孔材料的原料，可根據(jù)用途和性能要求，選用球形和不規(guī)則形狀的粉末或金屬纖維。用球形粉末易于獲得流體阻力小、結(jié)構(gòu)均勻、再生性好的過(guò)濾和流態(tài)控制用的多孔材料，但這種粉末制品的力學(xué)性能不如不規(guī)則形狀粉末的制品。不規(guī)則形狀粉末或纖維用于制造孔隙度高的材料。為了獲得由粉末顆粒疊排造成的多孔結(jié)構(gòu)，制造多孔材料的成形壓力和燒結(jié)溫度一般低于制造燒結(jié)致密材料。2.2多孔陶瓷的性能特點(diǎn)(1)氣孔率高。多孔陶瓷的重要特征是具有中較多的均勻可控的氣孔。氣孔有開口氣孔和閉口氣孔之分，開口氣孔具有過(guò)濾、吸收、吸附、消除回聲等作用，而閉口氣孔則有利于阻隔熱量、聲音以及液體與固

29、體微粒傳遞。(2)強(qiáng)度高。多孔陶瓷材料一般由金屬氧化物、二氧化硅、碳化硅等經(jīng)過(guò)高溫煅燒而成，這些材料本身具有較高的強(qiáng)度，煅燒過(guò)程中原料顆粒邊界部分發(fā)生融化而粘結(jié)，形成了具有較高強(qiáng)度的陶瓷。(3)物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。多孔陶瓷材料可以耐酸、堿腐蝕，也能夠承受高溫、高壓，自身潔凈狀態(tài)好，不會(huì)造成二次污染，是一種綠色環(huán)保的功能材料。(4)過(guò)濾精度高，再生性能好。用作過(guò)濾材料的多孔陶瓷材料具有較窄的孔徑分布范圍和較高的氣孔率與比表面積，被過(guò)濾物與陶瓷材料充分接觸，其中的懸浮物、膠體物及微生物等污染物質(zhì)被阻截在過(guò)濾介質(zhì)表面或內(nèi)部，過(guò)濾效果良好。多孔陶瓷過(guò)濾材料經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，用氣體或者液體進(jìn)行反沖洗

30、，即可恢復(fù)原有的過(guò)濾能力。2.3 多孔陶瓷的制備工藝 機(jī)械成孔法本工藝的特點(diǎn)是靠設(shè)計(jì)好的多孔金屬模具來(lái)成孔。將制備好的泥條通過(guò)一種具有蜂窩網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的模具擠出成型, 經(jīng)過(guò)燒結(jié)就可以得到最典型的多孔陶瓷即現(xiàn)用于汽車尾氣凈化的蜂窩狀陶瓷172。此外, 也可以在多孔金屬模具中利用泥漿澆注工藝獲得多孔陶瓷182。該類工藝的優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)需要對(duì)孔形狀和孔大小進(jìn)行精確設(shè)計(jì), 對(duì)于蜂窩陶瓷最常見(jiàn)的網(wǎng)格形狀為三角形、正方形。其缺點(diǎn)是不能成形復(fù)雜孔道結(jié)構(gòu)和孔尺寸較小的材料7。 自蔓延高溫合成( SHS) 工藝制取多孔材料的另外一種新方法-燃燒合成法, 是一種很有特色的方法, 燃燒合( Combust ionSy

31、nthesis) , 又稱自蔓延高溫合成( Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 即SHS) 。用燃燒合成技術(shù)制備多孔材料的主要過(guò)程是放熱反應(yīng), 化學(xué)反應(yīng)釋放出來(lái)的熱量維持反應(yīng)的自我進(jìn)行, 合成新物質(zhì)的同時(shí)獲得了所期望的多孔材料, 包括具有一定形狀的多孔材料。這項(xiàng)研究工作俄羅斯結(jié)構(gòu)宏觀動(dòng)力研究所托木斯克分部做得比較多6。燃燒合成過(guò)程總是伴隨著燒結(jié)現(xiàn)象, 燒結(jié)體的孔隙度很高, 可以達(dá)到50%左右, 甚至更高。SHS 與常規(guī)方法相比主要有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：1.合成反應(yīng)過(guò)程迅速, 一般在幾秒或幾十秒內(nèi)完成, 節(jié)省時(shí)間; 2. 除啟動(dòng)反應(yīng)所需極少量的能

32、源外, 材料合成靠自身反應(yīng)放出的熱量進(jìn)行, 不需要外部熱量的加入, 因而能大量節(jié)省能源; 3. 由于在合成反應(yīng)過(guò)程中, 原料中的有害雜質(zhì)能揮發(fā)逸出, 所以產(chǎn)品純度易于提高;4.實(shí)用性大, 適于制造各類無(wú)機(jī)材料, 如各類陶瓷、金屬間化合物; 5. 設(shè)備和工藝相對(duì)簡(jiǎn)單, 投資小;6.¾燃燒反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生高的溫度梯度和冷卻速度, 能夠生成新的非平衡相和亞穩(wěn)相;7.利用反應(yīng)物本身的化學(xué)能, 輔以其它手段, 可以使合成和致密化同步完成。SHS存在的不足之處是反應(yīng)速率難以控制, 試樣的燒結(jié)尺寸難以控制。張小明等8 制備出具有高孔隙度的TiNi 形狀記憶合金, 孔隙度高達(dá)51%, 最大孔徑為150

33、Lm, 相對(duì)透氣系數(shù)為1750m3/ h*kPa*m2, 具有較好的孔洞連通性和透過(guò)性能。顆粒堆積法也稱為固態(tài)燒結(jié)法，其成孔是通過(guò)顆粒堆積留下空隙形成氣孔，在骨料中加入相同組分的微細(xì)顆粒及一些添加劑， 利用微細(xì)顆粒易于燒結(jié)的特點(diǎn)， 在一定溫度下將大顆粒連接起來(lái)。由于每一粒骨料僅在幾個(gè)點(diǎn)上與其他顆粒發(fā)生連接， 因而形成大量三維貫通孔道。碳化硅陶瓷材料的結(jié)構(gòu)主要取決于骨料顆粒的配置及其接觸部位的粘著力，結(jié)合劑應(yīng)呈高分散狀，并均勻分布于骨料顆粒之間。同時(shí)，其量應(yīng)盡可能的低， 因?yàn)樗谀撤N程度上會(huì)降低氣孔率 .另外，在骨料顆粒、燒成溫度確定的前提下，增加結(jié)合劑量，氣孔率大幅度下降， 硬度、強(qiáng)度則明顯提

34、高。因此， 制備高性能碳化硅多孔陶瓷的關(guān)鍵在于結(jié)合劑用量和骨料顆粒尺寸的選擇，同時(shí)，相同組分微細(xì)顆粒的加入，可使材料的強(qiáng)度和斷裂韌性都大幅提高 .采用碳化硅顆粒堆積法制得的制品易于加工成型， 強(qiáng)度也相對(duì)比較高。但缺點(diǎn)是孔隙率比較低， 一般為20% 30%.因此， 為了提高制品孔隙率和透氣性，可結(jié)合其他方法， 如在混料時(shí)加入在燒成過(guò)程中完全分解的成孔劑、發(fā)泡劑，如碳酸氫銨、石墨、糊精等 .此外，還可以通過(guò)顆粒級(jí)配等途徑來(lái)控制孔徑及其它性能。 發(fā)泡法 發(fā)泡法這種工藝最早出現(xiàn)十1973年Sundermann和viedt9的專利中，隨后得到巨大的發(fā)展。目前，發(fā)泡法可分為干法發(fā)泡和濕法發(fā)泡兩種工藝。.1

35、 干法發(fā)泡 所謂干法發(fā)泡就是將發(fā)泡劑與陶瓷粉末混合，經(jīng)預(yù)處理后將其置于模具內(nèi)，形成所需形狀的預(yù)制塊。在加熱的情況下，使顆粒相互粘結(jié)，顆粒內(nèi)的發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體將材料充滿模腔，冷卻后得到多孔陶瓷。如在S chuster和Chiari10的專利中，采用硫酸鐵和硫化鐵做發(fā)泡劑，與黏土類材料混合，在燒結(jié)處理后得到各向同性的多孔陶瓷。這種發(fā)泡劑釋放氣體緩慢，有較大的發(fā)泡溫度區(qū)間和發(fā)泡時(shí)間，通過(guò)改變發(fā)泡劑的配比可以比較容易地控制產(chǎn)品的性育旨。.2濕法發(fā)泡 在漿料或者溶液中引入氣體，隨后使?jié){料或者溶液固化保持泡沫的結(jié)構(gòu)，然后再通過(guò)燒結(jié)獲得具有一定強(qiáng)度的多孔陶瓷。由十氣泡的引入增加了系統(tǒng)的自由能，使整個(gè)體系處

36、十不穩(wěn)定狀態(tài)，引發(fā)泡沫的長(zhǎng)大與合并。因而如果泡沫在液態(tài)體系中具有良好的穩(wěn)定性，將更易獲得孔徑分布均勻的多孔陶瓷。 1974年，Wood等人11受到聚合物海綿成型過(guò)程的啟發(fā)，中請(qǐng)了濕法發(fā)泡法制備多孔陶瓷的專利。在這項(xiàng)專利中，他們將聚氨酷海綿的前驅(qū)體添加到陶瓷漿料中，引入氣體進(jìn)行發(fā)泡，通過(guò)聚合物之間的聚合反應(yīng)整體固化，然后燒結(jié)得到多孔陶瓷。最近，Colombo等人121對(duì)Wood的方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用硅基聚合物陶瓷前驅(qū)體代替陶瓷，制備出非晶SiC, SiOC和SiNC多孔陶瓷。 除了聚合物聚合反應(yīng)固定泡沫外，液態(tài)介質(zhì)中溶膠一凝膠的轉(zhuǎn)變也可以用于泡沫的固定。這種方法首次被Fujiu等人13用于制備多

37、孔氧化硅陶瓷。他們首先在氧化硅溶膠中依次加入表面活性劑、甲醇和氟里昂，然后將混合物進(jìn)行水熱處理，當(dāng)混合物勁度上升到一定程度后，攪拌混合物，使氟里昂揮發(fā)起泡。經(jīng)過(guò)隨后的熱處理和燒結(jié)，得到多孔氧化硅陶瓷。最近，Tomita等人14對(duì)Fuj iu等人的方法進(jìn)行改進(jìn)，他們采用機(jī)械攪拌的方式引入空氣，避免了氟里昂對(duì)人體和環(huán)境的危害。除了硅溶膠外，利用金屬醇鹽水解形成溶膠一凝膠轉(zhuǎn)變也被用十多孔陶瓷的制備，如Zr02多孔陶瓷盡管通過(guò)溶膠一凝膠轉(zhuǎn)變能夠?qū)⒍嗫滋沾蓴U(kuò)展到其它的成分，但是目前處十主導(dǎo)地位的還是氧化硅基體系。 傳統(tǒng)上發(fā)泡法中對(duì)泡沫起穩(wěn)定作用的是表面活性劑，然而熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)表面處理的顆粒

38、穩(wěn)定泡沫具有更大的優(yōu)勢(shì)。在機(jī)械攪拌的方式下，將空氣引入已制備好的漿料中，使得部分陶瓷顆粒吸附十泡沫表面形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。由十這種吸附方式的不可逆，因而形成的泡沫能夠保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定。再經(jīng)過(guò)干燥和燒結(jié)后，便可獲得多孔陶瓷。 采用發(fā)泡法制備的多孔陶瓷的孔徑和孔隙率可以分別在10m-1.2 mm和40-97%之間變化15。由十該方法制備的陶瓷再燒結(jié)后骨架中沒(méi)有裂紋，因此，具有較模板復(fù)制法更優(yōu)異的力學(xué)性能。然而該工藝具有制備周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜，環(huán)境不友好等缺點(diǎn)造孔劑法該工藝是通過(guò)在陶瓷坯料中添加造孔劑, 利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間, 經(jīng)過(guò)燒結(jié)后, 造孔劑離開基體而形成氣孔來(lái)制備多孔陶瓷。雖然在普通的

39、陶瓷工藝中, 采用調(diào)整燒結(jié)溫度和時(shí)間的方法可以控制燒結(jié)制品的孔隙度和強(qiáng)度, 但對(duì)于多孔陶瓷, 燒結(jié)溫度太高, 會(huì)使部分氣孔封閉或消失, 燒結(jié)溫度太低, 則試樣的強(qiáng)度低, 無(wú)法兼顧孔隙度和強(qiáng)度, 而采用添加造孔劑的方法則可避免這種缺點(diǎn), 使燒結(jié)制品既具有高的孔隙度又有較好的強(qiáng)度。楊建峰等16通過(guò)添加少量碳粉制備出低收縮、高孔隙度氮化硅多孔陶瓷。添加1% 5% 碳粉, 5% Y2O3 燒結(jié)助劑, 與A-Si3N4 粉末一起進(jìn)行燒結(jié), 可制得孔隙度達(dá)50% 60%, 線收縮約2% 3% , 強(qiáng)度約100MPa 的Si3N4 陶瓷; 吳建鋒等 17利用該工藝制得了多孔磷酸三鈣生物陶瓷; 薛友祥 18以

40、木炭為造孔劑制得了飲用水凈化用高性能微孔陶瓷濾芯。添加造孔劑法制備多孔陶瓷的工藝流程與普通的陶瓷工藝流程相比, 這種工藝方法的關(guān)鍵在于造孔劑種類和用量的選擇。 模板復(fù)制法通過(guò)多孔模板復(fù)制形成氣孔的制備工藝本工藝特點(diǎn)是采用一種多孔材料作為模板, 然后按一定工藝將陶瓷原料涂覆或沉積在其上而獲得多孔陶瓷19。多孔陶瓷的孔徑主要取決于多孔模板的孔徑,與陶瓷原料的涂覆或沉積厚度也有關(guān)。這類工藝主要有:.1 有機(jī)泡沫體浸漬( Polymeric sponge) 工藝該工藝的特點(diǎn)是以網(wǎng)眼有機(jī)泡沫體為模板, 用陶瓷漿料均勻地涂覆在具有網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的有機(jī)泡沫體上,干燥后燒掉有機(jī)泡沫體而獲得多孔陶瓷。適應(yīng)這種要求的有

41、機(jī)泡沫材料一般是經(jīng)過(guò)特定發(fā)泡工藝制作的聚合海綿, 材質(zhì)常為聚氨基甲酸已酸( 聚氨酯) 、聚氯乙烯、聚苯乙烯、膠乳、纖維素等。在實(shí)際應(yīng)用中一般選用軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料, 因其軟化溫度低, 能在揮發(fā)排除中避免熱應(yīng)力破壞, 從而防止坯體的崩塌, 保證了制品的強(qiáng)度。因?yàn)殚_孔有機(jī)泡沫塑料的孔尺寸決定了多孔陶瓷的孔尺寸( 通常為2 25poresPcm 長(zhǎng)) , 所以應(yīng)根據(jù)制品對(duì)氣孔大小、氣孔率高低來(lái)選擇合適的有機(jī)泡沫塑料。由該工藝制備的多孔陶瓷具有開孔三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu), 且氣孔是相互貫通的。這種特殊結(jié)構(gòu)使網(wǎng)眼型多孔陶瓷作為熔融金屬過(guò)濾器獲得了廣泛應(yīng)用。因?yàn)檫@類多孔陶瓷在冶金行業(yè)上的重要應(yīng)用, 使該工藝自問(wèn)

42、世以來(lái), 受到材料科技工作者的熱切關(guān)注, 成為多孔陶瓷研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)之一。該工藝特別適合制備孔徑為100Lm 5mmd 的高氣孔率網(wǎng)眼陶瓷, 而且工藝簡(jiǎn)單, 從而成為一種非常重要的制備工藝。近幾年來(lái), 上海硅酸鹽研究所朱新文等人20對(duì)該工藝開展了大量的工作, 取得了重大進(jìn)展, 發(fā)展了一種二次涂覆掛漿工藝, 不僅大大改善了網(wǎng)眼多孔陶瓷的力學(xué)性能、可靠性, 而且孔徑大小可以適應(yīng)調(diào)節(jié)。國(guó)外也有報(bào)道21-22不直接采用陶瓷漿料, 而是利用陶瓷聚合物先驅(qū)體( 如聚硅烷) 的溶液或?qū)⒌诙嗵沾煞勰┓稚⒃谙闰?qū)體溶液中得到的懸浮體來(lái)涂覆網(wǎng)眼有機(jī)體泡沫, 然后對(duì)成型體在氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)中進(jìn)行熱處理而獲得網(wǎng)眼SiC

43、、 SiC-Si3N4 , 但結(jié)構(gòu)中含有大量細(xì)的孔筋, 而且沒(méi)有給出力學(xué)性能數(shù)據(jù)。.2 化學(xué)氣相滲透或沉積( CVIPCVD) 工藝23該工藝的特點(diǎn)是熱解有機(jī)泡沫形成網(wǎng)眼碳骨架,然后通過(guò)化學(xué)氣相滲透( CVI) 或化學(xué)氣相沉積( CVD)工藝將陶瓷原料滲涂到網(wǎng)眼碳骨架上。涂層厚度為10 1000Lm, 通過(guò)控制涂層厚度來(lái)控制制品的孔結(jié)構(gòu)和性能。通過(guò)控制工藝條件使涂層高度致密, 晶粒尺寸為1 5Lm, 這樣可以得到強(qiáng)度較高的網(wǎng)眼陶瓷。涂層材料可以是化合物如SiC、TiC、TiB2、ZrB2、Al2O3 等,也可以是金屬如Al、Zr、Ni、Ti 等。圖3 為本工藝制備陶瓷泡沫裝置。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是孔

44、結(jié)構(gòu)容易控制, 制品強(qiáng)度高, 但缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長(zhǎng), 成本高, 腐蝕設(shè)備和污染環(huán)境。.3 仿生結(jié)構(gòu)制備工藝該工藝的特點(diǎn)是將具有多孔結(jié)構(gòu)的天然木材在800 1800 e 下和惰性氣體環(huán)境中裂解可以得到與木材多孔結(jié)構(gòu)幾乎完全相同的碳預(yù)制體。然后以碳預(yù)制體為模板, 在1600 e 通過(guò)液態(tài)金屬硅的滲透反應(yīng)可以得到多孔碳化硅陶瓷24-25。里面用碳熱還原的工藝來(lái)脫去多余的氧，最后得到的就是SiC多孔木質(zhì)多孔陶瓷。2005年發(fā)表的一篇文章采用以下的制備流程，最后得到的與木材天然結(jié)構(gòu)契合度很高的多孔陶瓷26 So-l Gel 工藝Sol-Gel 法已成為制備多孔陶瓷的一個(gè)非常通用的方法, 該法步驟簡(jiǎn)單, 使

45、用范圍廣, 工藝較成熟,尤其適合微孔薄膜陶瓷的制備。這種方法一般采用無(wú)機(jī)鹽或醇鹽作先驅(qū)體, 先驅(qū)體水解得到溶膠, 再在多孔載體上凝結(jié)成由M-O-M 鍵構(gòu)成的無(wú)機(jī)聚合物凝膠膜。用這種方法制備的多孔材料, 孔徑可調(diào), 經(jīng)不同后續(xù)處理可得到多種性質(zhì)不同的多孔材料。272.3.7 升華干燥法 這種工藝的特點(diǎn)是首先使陶瓷漿料固化，然后在干燥過(guò)程中控制合適的溫度和壓力，從而使固相溶劑升華為氣體排出，得道多孔的坯體，燒結(jié)后形成多孔陶瓷。通過(guò)以上供需值得的多孔陶瓷具有定向排列的宏觀開孔，而在這些宏觀孔的孔壁上含有微觀孔，通過(guò)調(diào)節(jié)漿料的起始濃度和燒結(jié)工藝可以控制多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)。 當(dāng)選用水作為陶瓷的粘合劑時(shí)，首先

46、在低溫下使?jié){料中的水凍結(jié)為冰粒，然后在低壓條件下進(jìn)行干燥處理，此時(shí)發(fā)生冰的升華現(xiàn)象，得到多孔的陶瓷坯體。Fukasawa等人28用該法制備出同時(shí)含有微觀孔和宏觀孔的氧化鋁陶瓷。這種制備工藝不經(jīng)能夠制備高孔隙率多孔陶瓷而且是環(huán)境友好型的。孔結(jié)構(gòu)的形成是通過(guò)冷凍干燥過(guò)程中冰的升華來(lái)完成的，其釋放出來(lái)的是氣態(tài)的水蒸氣，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成任何的污染。 也可以采用高分子有機(jī)物作為溶劑，先配好漿料，然后低溫凝固，最后控制溫度和壓力是使機(jī)溶劑升華，得到多孔的結(jié)構(gòu)。29 反應(yīng)結(jié)合法 反應(yīng)結(jié)合法是粉末混合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、使粉粒顆粒之間通過(guò)反應(yīng)物進(jìn)行結(jié)合物而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的工藝，如環(huán)境氣氛與原料發(fā)生反應(yīng)，高溫下原料之間反應(yīng)

47、而發(fā)生氣體等。在燒結(jié)過(guò)程，坯體內(nèi)氣體的存在緩解了陶瓷的致密化，促進(jìn)了多孔結(jié)構(gòu)的形成。利用這種工藝可以實(shí)現(xiàn)近尺寸變化多孔體的燒結(jié)。而且反應(yīng)燒結(jié)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所需的燒結(jié)溫度低、耗能少，傳統(tǒng)工藝中SiC多孔陶瓷的燒結(jié)溫度為1800-2000°C，但使用硅與碳的反應(yīng)燒結(jié)工藝在1450-1600°C即可實(shí)現(xiàn)多孔碳化硅陶瓷的制備30。Falamaki等31在氧化鋁粉中加入碳酸鈣植被氧化鋁多孔陶瓷，碳酸鈣在高溫下釋放出二氧化碳有助于多孔結(jié)構(gòu)的形成，當(dāng)碳酸鈣的含量為百分之五且在1350進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，可以獲得最滲透率的氧化鋁膜 納米澆鑄法 納米澆注法也是一種制備具有等級(jí)孔結(jié)構(gòu)多孔陶瓷的方法。

48、從宏孔角度上看，它屬于模板復(fù)制法，如果從納米孔的角度考慮，這種工藝則屬十添加造孔劑法。該工藝制備多孔陶瓷的基本過(guò)程是使用具有等級(jí)孔結(jié)構(gòu)的材料為模板，進(jìn)行鹽溶液或者溶膠溶液的浸漬加工，經(jīng)熱處理、鍛燒或腐蝕移除模板后得到多孔陶瓷。由于該方法需要預(yù)先進(jìn)行模板的制備，因此整個(gè)操作過(guò)程周期會(huì)比較長(zhǎng)32 熱壓法 一般來(lái)說(shuō)，多孔陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度隨氣孔率的增加而降低，為了制得高氣孔率、高強(qiáng)度的多孔陶瓷，一些學(xué)者提出了HIP(hot tsostattc pressing)方法，即在高溫高壓的條件下，燒結(jié)多孔坯體。在燒結(jié)過(guò)程中，壓力的存在阻止了坯體的收縮，促進(jìn)了顆粒之間熔融架橋，減少了微裂紋和閉氣孔的產(chǎn)生，提高了制

49、品的機(jī)械強(qiáng)度。V. Biasim等33應(yīng)用HIP方法制得了抗彎強(qiáng)度達(dá)到200MPa的三氧化二鋁多孔陶瓷。 日本的Kocht大學(xué)也發(fā)明了一種類似的方法，被稱為水熱一熱壓法，研究人員在硅凝膠中加入10%的水，然后將其放在高壓釜中，在壓力為1050MPa，溫度為3000下，凝膠中的水揮發(fā)，形成多孔材料。在25MPa的壓力下，制得氣孔體積為0. 59cm'/g，氣孔直徑為30 50nm，抗彎強(qiáng)度達(dá)70MPa的多孔材料。2.4 多孔陶瓷的性能與表征 多孔陶瓷性能評(píng)價(jià)主要分為兩個(gè)方面，一個(gè)是作為器件必須具備的一定的傳統(tǒng)性能，可以指力學(xué)性能、熱學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)方面的性能；另外一個(gè)是作為多孔材料時(shí)關(guān)于孔

50、隙方面作用的評(píng)價(jià)體系，比如孔隙率、孔徑、滲透率等等；第三個(gè)是使用性能的表征，包括滲透性能、吸聲性能等等。 傳統(tǒng)性能.1 力學(xué)性能測(cè)試應(yīng)用多孔材料時(shí)大多要求滿足一定的力學(xué)性能，這些力學(xué)性能參數(shù)主要包括抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度。所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求具有能將試樣破壞的壓力量程，能夠控制均勻連續(xù)增大的壓力，并且能夠自動(dòng)指示和標(biāo)記試樣所受的最大壓力(誤差小于2%)34-35.2 熱學(xué)及熱機(jī)械性能測(cè)試許多多孔材料應(yīng)用于不同的環(huán)境下，有的要承受急冷、急熱的惡劣環(huán)境；有的甚至還處于振動(dòng)負(fù)荷下36；對(duì)多孔材料的熱學(xué)及熱機(jī)械性能進(jìn)行分析測(cè)試很有必要。這些性能主要包括動(dòng)態(tài)機(jī)械性能、高溫蠕變、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、高溫抗彎強(qiáng)

51、度、熱震性等。.3 動(dòng)態(tài)機(jī)械性能動(dòng)態(tài)機(jī)械性能分析用以表征材料在振動(dòng)情況下的機(jī)械性能已經(jīng)很普遍37。動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量、損耗模量、阻尼系數(shù)或內(nèi)耗都能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)機(jī)械性能分析獲得。其中動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能模量是衡量材料儲(chǔ)存能量能力的一個(gè)參數(shù)，阻尼是對(duì)原子運(yùn)動(dòng)最敏感的一個(gè)參數(shù)，特別適合于衡量熱過(guò)程中的結(jié)構(gòu)松弛38。一種材料的減震能力是指材料吸收、消耗機(jī)械振動(dòng)或波傳播時(shí)的彈性應(yīng)變能的能力。材料的彈性是指在一定的應(yīng)力-應(yīng)變范圍內(nèi)，材料在施加的負(fù)載下發(fā)生的形變符合虎克定律，即應(yīng)變與施加的應(yīng)力成正比。虎克定律忽略了時(shí)間的影響，也就是說(shuō)，一旦施加了應(yīng)力，材料同時(shí)也會(huì)發(fā)生形變，這種情況僅僅適合于所施加的應(yīng)力足夠慢的情況下。事實(shí)上，

52、材料對(duì)于所施加的應(yīng)力不僅僅存在一個(gè)與時(shí)間無(wú)關(guān)的立即彈性應(yīng)變，同時(shí)還存在一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的、滯后于施加應(yīng)力的應(yīng)變。由于這個(gè)滯后的應(yīng)變的存在，當(dāng)材料受到循環(huán)載荷時(shí)，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線將形成一個(gè)滯后回線。.4 高溫蠕變性能高溫蠕變的測(cè)試裝置34-35多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法，如圖1 所示。測(cè)試樣品置于直立的管式爐中，記錄在不同溫度和壓力下，測(cè)試樣品隨時(shí)間發(fā)生的形變量。 圖1.5熱膨脹系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)熱膨脹系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)由熱膨脹儀及導(dǎo)熱系數(shù)儀器測(cè)量可得。導(dǎo)熱系數(shù)也可以用前面所測(cè)量的多孔材料的氣孔率由推導(dǎo)公式或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出39-40 .6高溫抗彎強(qiáng)度與抗熱震性能高溫抗彎強(qiáng)度測(cè)試儀與高溫蠕變測(cè)試儀相似，

53、其樣品是放置于一個(gè)耐高溫的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試儀上，測(cè)試在不同溫度下樣品的抗彎強(qiáng)度41。一般，陶瓷材料的抗熱震性能指高溫急冷而不會(huì)開裂的性能。可通過(guò)測(cè)試樣品置于某恒定溫度下的爐中保溫1 小時(shí)，立即取出浸入室溫下的水中，反復(fù)測(cè)試直至樣品出現(xiàn)微裂紋為止。對(duì)于不方便判斷微裂紋的多孔陶瓷，也可以通過(guò)測(cè)試熱震后樣品的抗彎強(qiáng)度的變化來(lái)表征材料的抗熱震性能。42  2.4.2 孔隙的表征.1 孔率多孔材料的孔率是指多孔體中空隙所占體積與多孔體總體積之比，一般以百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。該指標(biāo)既是多孔材料中最易獲得的基本參量，也是決定多孔材料性能的關(guān)鍵因素。多孔體中的孔隙包括貫通孔、半通孔和閉合孔3 種。這3 種孔

54、率的總和就是總孔率。平時(shí)所言“孔率”即指總孔率。在使用過(guò)程中，大多數(shù)情況下利用的是貫通孔和半通孔43。（1）顯微分析法即采用掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡對(duì)多孔材料進(jìn)行直接觀察的方法。該法是研究100nm 以上的大孔較為有效的手段，能直接提供全面的孔結(jié)構(gòu)信息。觀測(cè)出斷面的總面積So 和其中包含的空隙面積Sp，然后利用式(1)即可求得孔率44。=Sp/So (1)但顯微法觀察的視野小，只能得到局部信息，而透射電子顯微鏡樣品制備較困難，這些特點(diǎn)使它成為其他方法的輔助手段，也用于提供有關(guān)孔形狀的信息。（2）浸泡介質(zhì)法本測(cè)量方法43 采用流體靜力學(xué)原理，其測(cè)量方式是先用天平稱量出試樣在空氣中的重量W1

55、，然后浸入介質(zhì)（如除氣的油、水、二甲苯等）一段時(shí)間，使其飽和后取出試樣，稱出其在空氣中的總重量W2。然后將飽和介質(zhì)的試樣放在吊具上浸入工作液體中稱量，此時(shí)試樣連同吊具的總重量為W3，而無(wú)試樣時(shí)吊具懸吊于工作液體中的重量為W4。根據(jù)流體靜力學(xué)原理就可得出多孔體孔率和多孔體體內(nèi)的開孔率本方法中工作介質(zhì)采用已知密度的液體，并盡可能滿足如下條件：與試樣不發(fā)生反應(yīng)、不溶解；對(duì)試樣的浸潤(rùn)性好,以利于試樣表面氣體的排除；粘度低、易流動(dòng)；表面張力小以減少液中稱量的影響；在測(cè)量溫度下的蒸氣壓低；體膨脹系數(shù)小；密度大。常用的工作液體有純水、煤油、苯甲醇、甲苯、四氯化碳、三溴乙烯、四溴乙炔等45。 .2 孔徑及孔徑

56、分布多孔材料的孔徑指的是多孔體中孔隙的名義直徑，一般都只有平均或等效的意義44。其表征方法有最大孔徑、平均孔徑、孔徑分布等。相應(yīng)的測(cè)定方法也很多，如斷面直接觀測(cè)法、氣泡法、透過(guò)法、氣體吸附法、離心力法、懸浮液過(guò)濾法、X 射線小角度散射法等44, 46-48 。其中直接觀測(cè)法只適于測(cè)量個(gè)別或少數(shù)空隙的孔徑，而其他的間接測(cè)量均是利用一些與孔徑有關(guān)的物理現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出各有關(guān)物理參數(shù)，并在假設(shè)空隙為均勻圓孔的條件下計(jì)算出等效孔徑。這里只介紹常用的氣泡法。氣泡法的測(cè)量原理是毛細(xì)管現(xiàn)象44，即利用對(duì)材料具有良好浸潤(rùn)性的液體（常用的有水、乙醇、異丙醇、丁醇、四氯化碳等）浸潤(rùn)試樣，使試樣中的開口孔隙達(dá)到飽

57、和，然后以壓縮氣體將試樣孔隙中的浸入液體吹出。當(dāng)氣體壓力由小逐漸增大到一定值時(shí)，氣體即可將浸漬液體從孔隙（視為毛細(xì)管）中推開而冒出氣泡，測(cè)定出現(xiàn)第一個(gè)氣泡時(shí)的壓力差，就可以利用式（4）的Laplace 方程求得多孔材料的孔徑：2 r cosp= （4）式中： r 為多孔材料的最大孔徑，m； 為浸漬液體的表面張力，N/m； 為浸漬液體對(duì)被測(cè)材料的浸潤(rùn)角，°；p 為氣體作用在毛細(xì)管孔上的凈壓降，Pa。如果測(cè)出每級(jí)孔徑所對(duì)應(yīng)的 及通過(guò)相應(yīng)孔隙的氣體流量，根據(jù)氣體流量與對(duì)應(yīng)壓差的關(guān)系可得到該材料的孔徑分布情況42。本方法所需的儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，特別適合于較大空隙（大于100m）的最大孔

58、徑測(cè)量。 (1)孔隙形貌 孔隙形貌對(duì)多孔材料性能的影響遠(yuǎn)大于孔隙尺寸49。首先，多孔材料的孔穴形貌和微觀結(jié)構(gòu)可用不同放大倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察分析50。盡管實(shí)際分析是無(wú)損檢測(cè)，但準(zhǔn)備樣品通常要經(jīng)過(guò)切割、鑲嵌和拋光等。為使孔穴壁膜和內(nèi)部出現(xiàn)不同的亮度，可將多孔體鑲?cè)肷钌珮渲⒅谱鲯伖饷?。?dāng)然，通過(guò)此方法測(cè)出的孔隙尺寸有失真實(shí)性，故對(duì)得到的結(jié)果需作某些詮釋或修正。還可利用CT 技術(shù)來(lái)獲取多孔體的三維密度分布形態(tài)50。通常采取射線源和探測(cè)器圍繞樣品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式螺旋掃描的方式，得出取自許多方向上的樣品的X 射線圖像。從各個(gè)圖像獲得射線在物體任意點(diǎn)的衰減，從而實(shí)現(xiàn)局部密度的數(shù)字再現(xiàn)。借助于同步加速器產(chǎn)生的

59、X 射線束（52keV）所獲得的這種圖像，甚至可以解析孔壁的內(nèi)表面結(jié)構(gòu)?？妆诮Y(jié)構(gòu)也可根據(jù)其中跨壁厚和沿孔壁長(zhǎng)度方向的厚度來(lái)確定。通常采用光學(xué)顯微鏡來(lái)測(cè)量孔壁的中跨厚度，記錄所測(cè)各個(gè)孔壁的位置。用數(shù)字掃描電子顯微鏡的圖像分析來(lái)逐個(gè)測(cè)定孔棱沿孔壁的厚度分布，最后即可得出孔隙的結(jié)構(gòu)形貌。多孔材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)超聲波圖像獲得49-52。雖然目前尚沒(méi)有這種方法得以成功應(yīng)用的實(shí)例，但使用該方法檢測(cè)多孔結(jié)構(gòu)的希望仍然存在。 (2)比表面積在多孔材料的大部分應(yīng)用中都需要利用孔隙的內(nèi)表面，其使用性能強(qiáng)烈地依賴于內(nèi)表面的大小，故此時(shí)多孔體的比表面積成為整個(gè)多孔部件的一項(xiàng)重要指標(biāo)。測(cè)定比表面積的方法主要有氣體

60、吸附法（BET 法）、流體透過(guò)法等。由于BET法一般難以測(cè)定每克只有十分之幾平方米以下的比表面積，故常采用透過(guò)法測(cè)定多孔材料的比表面積。透過(guò)法是通過(guò)測(cè)量流體透過(guò)多孔體的阻力來(lái)測(cè)算比表積的一種方法53。流體多使用氣體，因其測(cè)量范圍較寬。工業(yè)上透過(guò)法的應(yīng)用范圍大約在7020000cm2/g 之間53。在層流條件下，將多孔材料中的孔道視為毛細(xì)管，通過(guò)理論推導(dǎo)和對(duì)多種材料的實(shí)驗(yàn)，最后可得出計(jì)算多孔體比表面積的柯青-卡門公式54-55：式中：Sv 為體積比表面，m2/cm3； 為試驗(yàn)密度，g/cm3；Sw為質(zhì)量比表面，m2/g； p 為流體流過(guò)試樣兩端的壓力差，MPa；A 為流體通過(guò)試樣的橫截面積，m2

61、； 為流體的粘度，Pas； 為試樣的厚度，m；Q 為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)試樣的流體體積，m3/s； 為試樣的孔率，%。流體通過(guò)多孔體的流動(dòng)條件為層流。當(dāng)多孔體的孔道很細(xì)，甚至接近作為流體的氣體分子平均自由程時(shí)，式(5)不適用，因?yàn)榱黧w難以通過(guò)這種細(xì)孔。 功能性表征 .1 滲透性能滲透性是指過(guò)濾材料在一定壓差下允許流體通過(guò)的性能。它不僅取決于流體的種類，同時(shí)還取決于多孔材料的結(jié)構(gòu)。其大小用滲透度來(lái)衡量，滲透度k 由Darcy 定律56給出：（6）如果視流過(guò)多孔材料的氣體為理想氣體，并假定出口處壓力等于1 個(gè)大氣壓，Collins57從Darcy 定律推出滲透度k為：（7）其中：Q 為流體的流速，m3/

62、s；l 為測(cè)試樣品的厚度，m；為流體的粘度，Pas；A 為測(cè)試樣品的面積，m2；p 為樣品兩端的壓差，MPa；pi 為入口壓力，MPa。此時(shí)，因?yàn)槭菤怏w流過(guò)多孔材料，所以k 也就是透氣度58。.2 吸聲性能的測(cè)試表征吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)吸聲性能的重要參數(shù)之一是吸聲系數(shù) ,其表達(dá)式如下59:（8）式中: Es 為吸收聲能,Ei 為入射聲能, S 為駐波比。S 可用式(9)表達(dá):S=Pmin/Pmax （9）式中: Pmin 為駐波聲壓極小值,Pmax 為駐波聲壓極大值。試驗(yàn)方法為駐波管法，將待測(cè)多孔材料試樣安放在駐波管的前端,移動(dòng)探管測(cè)得 和 數(shù)據(jù),將其代入式（8）和式（9）計(jì)算得出吸聲系數(shù) 值。

63、2.5 多孔陶瓷的應(yīng)用多孔陶瓷由于具備陶瓷的一些性能，比如耐高溫、優(yōu)良的絕熱性能、耐化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)。因而可以在某些場(chǎng)合部分的替代致密陶瓷，比如作為耐熱材料；同時(shí)由于其具有特殊的孔結(jié)構(gòu)，因而具有致密陶瓷所不能比擬的優(yōu)良性能，比如滲透能力、降低噪音的能力，甚至由于與骨骼十分的類似，因而在生物材料方面也出現(xiàn)了新的應(yīng)用。 傳統(tǒng)應(yīng)用.1 制作耐熱材料多孔陶瓷的高氣孔率，使其具有較小的密度和低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，造成了巨大的熱阻及較小的體積熱容，成為傳統(tǒng)的保溫隔熱材料。若將其內(nèi)部氣孔抽真空，將成為日前世界上最好的隔熱材料一“超能隔熱材料”，其傳熱系數(shù)比硬質(zhì)聚甲酸乙醋泡沫還要低丁倍。這種材料可用于高級(jí)保溫，如保冷

64、集裝箱。更高級(jí)的多孔陶瓷隔熱材料還可用于航天匕機(jī)外殼隔熱;還用于導(dǎo)彈頭，以及做強(qiáng)迫發(fā)汗體系的構(gòu)件60 .2 吸聲材料多孔陶瓷具有連通開氣孔，當(dāng)聲波傳入時(shí)，在很小的氣孔內(nèi)受力振蕩。振動(dòng)受到的摩擦和阻礙，使聲波傳播受到抑制，導(dǎo)致聲音衰減，從而起到吸音的作用。是一種消除噪聲公害，益于人們身心健康的好材料。作為吸音材料的多孔陶瓷要求較小的孔徑(20- 150um)，相當(dāng)高的氣孔率(>60%)及較高的機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷所具有的優(yōu)良的耐火性和耐候性，使它可用于變壓器、道路、橋梁等的隔音?，F(xiàn)在己在高層建筑、隧道、地鐵等防火要求極高的場(chǎng)合及電視發(fā)射中心、影劇院等有較高隔音要求的場(chǎng)合使用，效果很好61-62

65、.3 催化劑載體多孔陶瓷的高比表面積，使其具有良好的吸附能力和活性。作為催化劑載體能增加有效接觸面積，提高催化效果。同時(shí)因其優(yōu)良的抗熱震性和耐腐蝕性，使其能夠在極其惡劣的環(huán)境下使用。因而被大量用于汽車尾氣處理和化工塔器中，還被用作酶載體等。日前多孔陶瓷作為催化劑載體的研究重點(diǎn)在無(wú)機(jī)分離催化膜，它結(jié)合了多孔陶瓷材料分離和催化的特性，具有廣泛的應(yīng)用前景63. 作為催化劑載體的時(shí)候，目前用于汽車尾氣凈化催化劑載體主要有金屬和陶瓷兩大類，其中多孔陶瓷中的堇青石蜂窩陶瓷的應(yīng)用最廣泛64相對(duì)于金屬載體復(fù)雜的成型工藝以及不成熟的涂覆工藝，堇青石蜂窩陶瓷載體有具有氣體阻力小，氣氛流暢均勻，機(jī)械強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性

66、好，比表面積大且催化活性涂層薄等優(yōu)點(diǎn)65,加上堇青石價(jià)格便宜、原材料易得，因此被廣泛地應(yīng)用于汽車尾氣凈化催化劑載體材料。在國(guó)外95%的新車均采用這類載體66 .4 傳統(tǒng)過(guò)濾材料過(guò)濾即是將懸浮于液體或氣體中的固體粒子，或兩種不相混溶的液體加以分離。多孔陶瓷的板狀或竹狀制品組成的過(guò)濾裝置具有過(guò)濾面積大，過(guò)濾效率高的特點(diǎn)，以及多孔陶瓷本身具有的耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高、不污染過(guò)濾液體以及易于再生等優(yōu)點(diǎn)，不但在一般流體的過(guò)濾分離中發(fā)揮著重要的作用，而目能夠在一些特殊領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特的作用67 (1). 超純水的制備和除菌 用硅藻土或粘土熟料質(zhì)制成的多孔陶瓷濾芯，己用于飲水、石油油井注水用水等的

67、除菌和凈化，還用于注射液的消毒過(guò)濾，以及電了工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、光學(xué)透鏡研磨用的超純水的凈化67 (2). 廢水處理 用多孔陶瓷過(guò)濾工業(yè)廢水和生活污水己成為廢水處理和凈化的重要發(fā)展方向，適用各種污染廢水，效率高，成本低。 (3). 腐蝕性流體過(guò)濾 多孔陶瓷的強(qiáng)耐腐蝕性使其在過(guò)濾酸性、堿性等腐蝕性液體或氣體時(shí)顯示出特有的優(yōu)勢(shì)。 (4).熔融金屬過(guò)濾 經(jīng)多孔陶瓷的過(guò)濾能除去熔融金屬中大部分的夾雜物和氣體等雜質(zhì)，提高金屬材料的強(qiáng)度等內(nèi)在質(zhì)量。特別在電了元件、電線用金屬和精密鑄造用金屬方面尤其重要68 (5).高溫氣體過(guò)濾 高溫?zé)煔獾某龎m、高溫煤氣的凈化等高溫氣體的過(guò)濾都必須使用耐高溫的多孔陶瓷。 (6)

68、.放射性物質(zhì)的過(guò)濾 核電廠等產(chǎn)生大量放射性廢物，經(jīng)過(guò)燃燒能成為化學(xué)穩(wěn)定的固體粉末，多孔陶瓷能將其固化，保護(hù)起來(lái)方便又經(jīng)濟(jì)68 。 新應(yīng)用.1 傳感器一些多孔陶瓷(如氧化鋁基多孔陶瓷)被用作濕度傳感器，他們的工作原理是，空氣中的水被吸附到多孔的表面上，引起了材料的電導(dǎo)的變化，即空氣濕度越大，多孔陶瓷吸附的水層越厚，則傳感器的電導(dǎo)越大，因此，我們可以根據(jù)材料(傳感器)電導(dǎo)的大小來(lái)推斷周圍環(huán)境的濕度。日本Miyakonojo工學(xué)院的學(xué)者們研制成功了Ti02-Si0:基多孔濕度傳感器，其工作范圍很寬，能在濕度很大的環(huán)境中正常使用69。圖170為濕度傳感器的示意圖。 圖1傳感器示意圖基體(A1或Si);2對(duì)濕度敏感的多孔層;3金電極 也有一些研究者將青霉素酶置入多孔體內(nèi)，制得了對(duì)青霉素非常敏感的生物傳感器。此外，日本東京大學(xué)的一些研究人員與別人合作研制成功了一種以多孔硼硅酸鹽為基體的水銀離子傳感器，這種傳感器靈敏度很高，能檢測(cè)到.lppm的水銀離子，如果應(yīng)用于流動(dòng)注射系統(tǒng)中，它能檢測(cè)到0.1ppb左右