多孔氧化鋁陶瓷的制備及應用

      多孔氧化鋁陶瓷不僅具有氧化鋁陶瓷耐高溫、耐腐蝕性好，同時具有多孔材料比表面積大、熱導率低等優良特點，現已廣泛應用于凈化分離、固定化酶載體、吸聲減震和傳感器材料等眾多領域，在航天航空、能源、化工等領域中也具有十分廣闊的應用前景。材料的性能與應用取決于其相組成和微觀結構，多孔氧化鋁陶瓷正是利用了氧化鋁陶瓷固有屬性和多孔陶瓷的孔隙結構，其中影響孔隙結構的主要因素是制備工藝與技術。

多孔氧化鋁陶瓷的制備

① 擠出成型工藝

      將制備好的泥條通過一種預先設計好的具有蜂窩網格結構的模具擠出成型，經過高溫燒結處理后就可以得到典型的多孔陶瓷材料，即蜂窩陶瓷。其基本工藝流程為∶配料→球磨→陳腐→成型→干燥→燒結，該工藝的優點為可以根據實際需要對多孔陶瓷體的孔形狀以及孔徑大小進行精確設計，其缺點是不能制備復雜孔道結構以及小尺寸孔洞的多孔材料，同時對從模具中擠出的坯料的塑性有較高要求。

② 顆粒堆積成孔工藝

    依靠粗顆粒之間的堆積及利用顆粒結合部形成的微孔結構。粗的顆?？考毩Ｈ刍澈?，也可以加入易熔的粘結劑使粗顆粒與細顆粒結合。這種工藝可通過調整顆粒級配從而對孔洞結構進行控制，制品的孔隙率一般為20%~30%左右，若在坯料中加入碳粉、木屑、石墨、淀粉、塑料等造孔劑，高溫下使其揮發或燃盡可將整體孔隙率提高至75%左右。

③ 添加造孔劑工藝

    添加造孔劑工藝是通過在陶瓷坯料中添加占據一定空間的造孔劑，經過高溫燒結后，造孔劑離開陶瓷基體留下孔洞而形成多孔結構的陶瓷。該工藝可通過改變造孔劑的種類、造孔劑顆粒的形狀、粒徑以及制備工藝來精確設計制品的孔洞大小、孔道結構及分布情況，但其缺點是難以獲得高氣孔率制品。

④ 溶膠凝膠法

    溶膠-凝膠法是指用含高化學活性組分的化合物作為前驅體，在液相下將這些原料充分混合均勻，然后使其進行水解、縮合化學反應，反應后會在溶液中形成穩定的透明溶膠，溶膠體經過緩慢聚合，形成三維空間結構的凝膠體。凝膠形成后，經過干燥、燒結固化處理，制備出分子甚至納米結構的材料。再根據所需獲得的多孔陶瓷材料的性能需求，將前軀體進行水解、溶膠、凝膠、老化和干燥，最終通過熱處理工藝使材料成型。

⑤ 冷凍-干燥法

     冷凍-干燥法是在控制冰生長方向的同時完成水基陶瓷漿料的凍結，然后在低壓下干燥使冰升華而得到多孔陶瓷材料的一項新技術。該法具有收縮率小、燒結過程容易控制、孔密度范圍大、較高的機械強度和環境適應性強等特點。

⑥ 凝膠注模工藝

     凝膠注模技術是一種新開發出的多孔陶瓷材料成型技術，這種新的成型技術采用的是非多孔結構模具，將配好的漿料注入模具后，利用漿料內部或少量添加劑的原位化學反應作用使陶瓷漿料原位凝固形成坯體，獲得具有良好微觀均勻性和較高密度的坯體，從而顯著提高制品的機械強度和力學性能。

    凝膠注模工藝的主要特點有：①漿料中固體含量高，制品顯微結構均勻；②凝固時間可調，材料力學性能好；③工藝簡單、成本低，適合大批量生產。

  多孔氧化鋁陶瓷在化工領域的應用

① 熔融金屬過濾

    多孔氧化鋁陶瓷材料的耐高溫性和耐腐蝕性使其即使在溫度高達1000℃以上的惡劣環境下也可以持續工作很長時間。因此多孔氧化鋁陶瓷常被制備成陶瓷過濾網，應用于鐵、鋁等熔融金屬液的過濾。而多孔氧化鋁陶瓷材料在工作中除了能保證金屬熔融液體中的雜質被大幅度過濾的同時，其優良的高溫化學穩定性和耐腐蝕性使其自身不受雜質與金屬熔融液體的污染，得以被重復利用，是一種性能優良的綠色環保材料。

      在實際生產應用中，多孔氧化鋁陶瓷作為過濾網過濾鋼鐵熔融液，不但能夠濾去鋼水中雜質以及氮氧化合物等，同時可以大大提高鋼鐵本身的內在性能。國內外開發的多孔氧化鋁陶瓷過濾器件按照不同結構種類可劃分為顆粒形狀、網結構型、芯型、蜂窩狀和泡沫等。

② 隔熱耐火材料

      多孔氧化鋁陶瓷中的閉合孔隙有利于削弱容量傳遞時的熱輻射、熱對流和熱傳導的能力，從而使陶瓷材料具有較低的熱傳導率、較小的比熱以及高抗熱震性等。而這些優良的熱學性能使其可以被制備成一種理想的隔熱耐火材料應用于各類高溫工況中。目前工業中常用的隔熱耐火材料多為氧化鋁基、氧化鋯基、碳化硅基等，使用溫度基本維持在1600℃，而多孔氧化鋁陶瓷耐火磚是目前工業窯路和高溫爐最常用的內襯材料。

③ 熱交換器

     多孔氧化鋁陶瓷的高孔隙率使其具有較大的熱交換面積，常被作為節能材料應用在熱工行業中。例如在軋鋼加熱爐中，將多孔氧化鋁陶瓷安置在鋼坯加熱爐的煙道口，爐內的高溫氣體可以通過多孔氧化鋁陶瓷進入煙道，當多孔氧化鋁陶瓷的溫度接近爐內溫度時，多孔氧化鋁陶瓷會出現反饋作用，利用其優良的熱輻射特性反向向爐內輻射熱量，部分補償了爐內向煙道口散失的熱量。通過這種熱交換作用，可以增加30%的節能效果，使整體熱效率得到提高。