多孔氧化铝陶瓷的制备及应用

      多孔氧化铝陶瓷不仅具有氧化铝陶瓷耐高温、耐腐蚀性好，同时具有多孔材料比表面积大、热导率低等优良特点，现已广泛应用于净化分离、固定化酶载体、吸声减震和传感器材料等众多领域，在航天航空、能源、化工等领域中也具有十分广阔的应用前景。材料的性能与应用取决于其相组成和微观结构，多孔氧化铝陶瓷正是利用了氧化铝陶瓷固有属性和多孔陶瓷的孔隙结构，其中影响孔隙结构的主要因素是制备工艺与技术。

多孔氧化铝陶瓷的制备

① 挤出成型工艺

      将制备好的泥条通过一种预先设计好的具有蜂窝网格结构的模具挤出成型，经过高温烧结处理后就可以得到典型的多孔陶瓷材料，即蜂窝陶瓷。其基本工艺流程为∶配料→球磨→陈腐→成型→干燥→烧结，该工艺的优点为可以根据实际需要对多孔陶瓷体的孔形状以及孔径大小进行精确设计，其缺点是不能制备复杂孔道结构以及小尺寸孔洞的多孔材料，同时对从模具中挤出的坯料的塑性有较高要求。

② 颗粒堆积成孔工艺

    依靠粗颗粒之间的堆积及利用颗粒结合部形成的微孔结构。粗的颗粒靠细粒熔化粘合，也可以加入易熔的粘结剂使粗颗粒与细颗粒结合。这种工艺可通过调整颗粒级配从而对孔洞结构进行控制，制品的孔隙率一般为20%~30%左右，若在坯料中加入碳粉、木屑、石墨、淀粉、塑料等造孔剂，高温下使其挥发或燃尽可将整体孔隙率提高至75%左右。

③ 添加造孔剂工艺

    添加造孔剂工艺是通过在陶瓷坯料中添加占据一定空间的造孔剂，经过高温烧结后，造孔剂离开陶瓷基体留下孔洞而形成多孔结构的陶瓷。该工艺可通过改变造孔剂的种类、造孔剂颗粒的形状、粒径以及制备工艺来精确设计制品的孔洞大小、孔道结构及分布情况，但其缺点是难以获得高气孔率制品。

④ 溶胶凝胶法

    溶胶-凝胶法是指用含高化学活性组分的化合物作为前驱体，在液相下将这些原料充分混合均匀，然后使其进行水解、缩合化学反应，反应后会在溶液中形成稳定的透明溶胶，溶胶体经过缓慢聚合，形成三维空间结构的凝胶体。凝胶形成后，经过干燥、烧结固化处理，制备出分子甚至纳米结构的材料。再根据所需获得的多孔陶瓷材料的性能需求，将前躯体进行水解、溶胶、凝胶、老化和干燥，最终通过热处理工艺使材料成型。

⑤ 冷冻-干燥法

     冷冻-干燥法是在控制冰生长方向的同时完成水基陶瓷浆料的冻结，然后在低压下干燥使冰升华而得到多孔陶瓷材料的一项新技术。该法具有收缩率小、烧结过程容易控制、孔密度范围大、较高的机械强度和环境适应性强等特点。

⑥ 凝胶注模工艺

     凝胶注模技术是一种新开发出的多孔陶瓷材料成型技术，这种新的成型技术采用的是非多孔结构模具，将配好的浆料注入模具后，利用浆料内部或少量添加剂的原位化学反应作用使陶瓷浆料原位凝固形成坯体，获得具有良好微观均匀性和较高密度的坯体，从而显著提高制品的机械强度和力学性能。

    凝胶注模工艺的主要特点有：①浆料中固体含量高，制品显微结构均匀；②凝固时间可调，材料力学性能好；③工艺简单、成本低，适合大批量生产。

  多孔氧化铝陶瓷在化工领域的应用

① 熔融金属过滤

    多孔氧化铝陶瓷材料的耐高温性和耐腐蚀性使其即使在温度高达1000℃以上的恶劣环境下也可以持续工作很长时间。因此多孔氧化铝陶瓷常被制备成陶瓷过滤网，应用于铁、铝等熔融金属液的过滤。而多孔氧化铝陶瓷材料在工作中除了能保证金属熔融液体中的杂质被大幅度过滤的同时，其优良的高温化学稳定性和耐腐蚀性使其自身不受杂质与金属熔融液体的污染，得以被重复利用，是一种性能优良的绿色环保材料。

      在实际生产应用中，多孔氧化铝陶瓷作为过滤网过滤钢铁熔融液，不但能够滤去钢水中杂质以及氮氧化合物等，同时可以大大提高钢铁本身的内在性能。国内外开发的多孔氧化铝陶瓷过滤器件按照不同结构种类可划分为颗粒形状、网结构型、芯型、蜂窝状和泡沫等。

② 隔热耐火材料

      多孔氧化铝陶瓷中的闭合孔隙有利于削弱容量传递时的热辐射、热对流和热传导的能力，从而使陶瓷材料具有较低的热传导率、较小的比热以及高抗热震性等。而这些优良的热学性能使其可以被制备成一种理想的隔热耐火材料应用于各类高温工况中。目前工业中常用的隔热耐火材料多为氧化铝基、氧化锆基、碳化硅基等，使用温度基本维持在1600℃，而多孔氧化铝陶瓷耐火砖是目前工业窑路和高温炉最常用的内衬材料。

③ 热交换器

     多孔氧化铝陶瓷的高孔隙率使其具有较大的热交换面积，常被作为节能材料应用在热工行业中。例如在轧钢加热炉中，将多孔氧化铝陶瓷安置在钢坯加热炉的烟道口，炉内的高温气体可以通过多孔氧化铝陶瓷进入烟道，当多孔氧化铝陶瓷的温度接近炉内温度时，多孔氧化铝陶瓷会出现反馈作用，利用其优良的热辐射特性反向向炉内辐射热量，部分补偿了炉内向烟道口散失的热量。通过这种热交换作用，可以增加30%的节能效果，使整体热效率得到提高。