毕业论文多孔陶瓷开题报告.doc

中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名：*学 号：0703024238学 院、系：材料科学与工程学院、材料科学系专 业：无机非金属材料工程论 文 题 目：氧化铝多孔陶瓷制备方法的研究指导教师:刘炜 2011 年 3 月 7 日毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1 课题研究的背景多孔陶瓷是由美国科学家于1978年首先研制成功的。他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材料制成多孔陶瓷用于铝合金铸造中的过滤，可以显著提高铸件质量，降低废品率，并在1980年4月美国铸造年会上发表了研究成果。此后，英、俄、德、日等国竞相开展了对多孔陶瓷的研究，已研制出多种材质、适合不同用途的多孔陶瓷，技术装备和生产工艺日益先进，产品已系列化和标准化，形成为一个新兴产业。多孔陶瓷又被称为微孔陶瓷、泡沫陶瓷，是一种新型陶瓷材料，是由骨料、粘结剂和增孔剂等组分经过高温烧成的，具有三维立体网络骨架结构的陶瓷体。多孔陶瓷的种类繁多，其分类也有多种方法。按孔径大小分类可分为：微孔陶瓷（孔径小于2nm）、介孔陶瓷（孔径介于2-50nm）和宏孔陶瓷（孔径大于50nm）3类；按孔的形状结构分类可分为：粒状陶瓷烧结体、泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷3种；按孔隙之间关系分类可分为：闭气孔和开气孔2种1。多孔陶瓷材料孔道分布较均匀，便于成型及烧结，具化学稳定性好，质轻，耐热性好，比表面积大，良好的抗热冲击性质等特性。随着现代科学技术的发展，新型多孔陶瓷材料受到人们的关注，现已广泛应用于国民生产的诸多领域，如保温隔热材料、过滤器材料、催化剂载体、吸音、隐身材料等，而其节能及过滤等方面的研究与开发，都使得多孔陶瓷作为环保型绿色材料有着广阔的应用前景。Al203多孔陶瓷的特点是造价低，机械强度高，绝缘度高，耐高温，耐高压等特点。其产品可用于电子电器，热工仪表，石油化工等领域2。1.2 多孔陶瓷的制备工艺根据使用目的和对材料性能的要求不同，近年逐渐开发出许多不同的制各技术。其中应用比较成功，研究比较活跃的有：挤压成型工艺，添加造孔剂工艺，颗粒堆积成型工艺，发泡工艺，泡沫浸渍工艺，凝胶注模工艺等传统制备工艺及离子交换法、冷冻干燥等新型制备工艺。1.2.1 挤压成型工艺挤压成型工艺是多孔陶瓷制作中的基本方法，其工艺流程为：原料合成混合练混挤出成形干燥烧成制品。在生产过程中，核心工序是挤出成形，同时挤出成形模具又是挤出成形的核心技术3。目前，我国已研制出并生产使用蜂窝陶瓷挤出成型模具达到400孔/2.54cm2.54 cm的规格。美国与日本已研制出600孔/2.54 cm254 cm、900孔/2.54cm2.54cm的高孔密度、超薄壁型蜂窝陶瓷。我国亦开始了600孔/2.542.54cm挤出成型模具的研究，并取得了初步成功4。该工艺生产的产品孔径尺寸大于1mm，孔隙率一般小于70%。该生产工艺优点在于孔径大小形状可控，易于连续生产，缺点是不能制备小孔径、异型材料，并且模具加工困难。所以生产的产品一般应与于汽车尾气催化剂载体，红外燃烧器等5。1.2.2 添加造孔剂工艺添加造孔剂工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷。添加造孔剂工艺制备多孔陶瓷的关键在于造孔剂种类和用量的选择，其次是粒径的大小。添加造孔剂的目的在于促使多孔材料的气孔率提高，因此它必须满足下列条件：在加热过程中易于排除；排除后在基体中无有害残留物；不于基体反应。造孔剂的种类很多，一般可分为无机物和有机物两大类。无机造孔剂如易挥发性无机物碳酸氢铵、碳酸铵、氯化铵等，是通过特定温度下无机物的分解产生大量气体，在冷却后保留下来成为气孔；一些熔点较高，但可溶于水、酸或碱溶液的无机盐Na2SO4、CaS04、NaCl等，是待基体烧结后，用水、酸或碱溶液浸出造孔剂而保留下来称为气孔；有机造孔剂如淀粉，碳粉、煤粉等一些天然纤维、高分子聚合物，是在磨具压制成型的过程中自身占有一定尺寸的空间，在随后的烧结的高温条件下氧化(燃烧)，并形成一定的气孔1。添加造孔剂工艺主要包括混料、成形和烧结3个工艺。该工艺可制取各种气孔结构的陶瓷制品，气孔尺寸l0m-1mm ，孔隙率可高达50左右，用于过滤器、催化剂载体材料等。该工艺的优点在于气孔大小、形状均可控，工艺相对简单，缺点是气孔分布均匀性差，孔隙率偏低。所以所得产品主要应用于一般过滤器4。1.2.3 发泡工艺发泡工艺是在陶瓷组分中添加有机或无机化学物质，在处理期间形成挥发性气体，产生泡沫，经干燥和烧成制成多孔陶瓷，包括网眼型和泡沫型2种1。该工艺的关键是要得到相对稳定的液态陶瓷泡沫浆料。目前制备多孔陶瓷浆料的发泡剂主要为长链的表面活性剂或是生物大分子如蛋白质等，直接搅拌而制备泡沫浆料6。林煌等7采用直接发泡法所制备的泡沫陶瓷的气孔率达到90%以上，其抗压强度大于3.2MPa，在应用上能够大大高于泡沫陶瓷过滤行业标准要求。利用发泡工艺可以得到高孔隙率(4090)、高强度的多孔陶瓷材料，孔径尺寸在10m2mm。其优点是容易控制制品的形状、成分和密度，缺点是对原料要求高，工艺条件不易控制。所以一般应用于轻质建材、保温隔热材料的制备8。1.2.4 泡沫浸渍工艺 有机泡沫浸渍工艺是schwartzwalder等在1963年发明的，其独特之处在于它凭借有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构，将制备好的料浆均匀地涂覆在有机泡沫网状体上，干燥后烧掉有机泡沫体而获得一种网眼多孔陶瓷。多孔体的尺寸主要取决于有机泡沫体的尺寸，与浆料在有机泡沫体上的涂覆厚度也有一定的关系。该工艺是制备高气孔率(70一90)多孔陶瓷的一种有效工艺，并且此类多孔陶瓷具有开孔三维网状骨架结构9。甘学贤10选用聚氨酯泡沫体作为成型骨架，并对其进行酒精浸泡和水清洗预处理，以泡沫浸渍工艺制备获得了高气孔率、孔洞分布均匀、孔连通性好以及孔径在0.3-1mm之间的氧化铝泡沫陶瓷。 泡沫浸渍工艺操作简单，成本低，所得制品的孔径大小一般在100m5mm，开口气孔较高，约为70一90，且气孔相互贯通，强度高，可应用于金属熔体过滤器、隔热保温材料等。其缺点是无法制造小孔径闭口气孔制品，而且形状受限制，密度也不易控制4。1.2.5 凝胶注模工艺凝胶注模工艺是美国橡树岭国家实验室首次提出的，这种新的成型技术采用非孔模具，利用料浆内部或少量添加剂的化学反应作用使陶瓷料浆原位凝固形成坯体，获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯，从而显著提高材料的可靠性11。凝胶注模工艺制备氧化铝多孔陶瓷主要有两种途径。一是引入烧失物如石墨或炭黑等，此工艺制备出的材料气孔率低、成本较高等。二是结合发泡工艺，目前可以制备出的高气孔率多孔陶瓷，但强度不高12。杨金龙等6通过发泡工艺与凝胶注模工艺的结合以氧化铝粉，丙烯酰胺单体以及亚甲基双丙烯酰胺作为原料制作出同时兼具高气孔率(大于85)，高抗压强度(大于8MPa)的多孔氧化铝陶瓷。刘雪丽等13采取相似的方法利用-Al2O3微粉，有机单体为-甲基丙烯酸，交联剂为N，N-亚甲基丙烯酰胺(MBAM)，分散为六偏磷酸钠，发泡剂为十二烷基磺酸钠、引发剂为过硫酸氨(APS)，催化剂为四甲基乙二铵，浓氨水调pH值研究固相含量和pH值对浆料粘度的影响，并在165烧成，制备出体积密度在1.32-1.82 g/cm3之间的氧化铝多孔陶瓷，其气孔率在54-67之间，抗压强度在19.7-42.9 MPa之间.1.2.6 离子交换法层状硅酸纳晶体与十八烷基三甲基溴化铵在水中充分混合，硅酸盐层间的阳离子与铵盐阳离子将自发地进行交换，由于铵盐离子体积较大，硅酸盐的片层结构会因铵盐的引入而发生弯曲变形，弯血的片层之间发生缩聚，将有机物包围在片层当中，经高温烧结除去有机物，即形成多孔SiO214。美国PemlsylvaIlia采用原位还原法，将蒙脱石层间的Cu2+，Ni2+离子还原为Cu、Ni，这些金属原了聚集成簇，将层间距扩大为40-50nm，形成层状多孔材料。目前，人们正在研究这种多孔材料的稳定性和比表面积问题，并期望将其应用于催化或吸附系统中1。1.2.7 冷冻干燥工艺这种基于冷冻原理的独特的陶瓷制备工艺可以制备具有复杂孔结构的多孔陶瓷。其原理是在陶瓷料浆冷冻的同时，控制晶体冰单向生长，在低压条件下进行干燥处理，此时溶剂冰升华而排出，坯体中形成定向排布的孔结构，之后进行烧结1。国外研究人员以水为溶剂，制备出同时含有宏观气孔和微观气孔的复合孔结构氧化铝陶瓷，制备过程中对环境不产生污染，显示出良好的环境友好性15。工艺特点是坯体烧成收缩小、烧成控制简单、孔结构可设计性强、制品机械强度相对较好。该工艺生产的多孔陶瓷方向性好，孔隙率非常高，一般大于90%。所以在现代工业上具备很广阔的应用前景16。1.2.8 水热一热静压工艺多孔陶瓷的水热一热静压工艺是通过水作为压力传递介质制备各种孔径的多孔陶瓷。其制备步骤为将陶瓷组分和一定量的水混合，放置于高压釜中，在一定的温度和压力下，通过水蒸气的蒸发而制得多孔陶瓷4。日本高知大学17研发出了一种水热热静压工艺制备多孔陶瓷的方法。此方法是用硅凝胶合水混合置于高压釜中（压力为1050 MPa，温度为300），通过水蒸气的挥发制成多孔陶瓷，反应时间为10-180 min。在25 MPa下处理60min，所制的的材料体积密度为0.88g/cm3，孔径尺寸为30-50nm，抗压强度高达70 MPa。用此方法制得多孔材料的优点抗压强度高、性能稳定，且多孔材料孔径分布范围广。1.3 多孔陶瓷的性能分析1.3.1 多孔陶瓷的力学性质多孔陶瓷的性能取决于两组独立的参数。第一组是描述几何体结构的孔穴的大小和形状、物质在孔棱和孔面之间的分配方式以及其相对密度和孔率；第二组是描述孔壁构成材料的内在性质的参数。分析多孔陶瓷的显微结构，并与其力学行为结合起来，有利于预测材料性能，也有利于发现其形变过程。研究方法之一就是建立单一孔穴模型。Gibson等将复杂的泡沫多孔结构简化成如图1所示的结构形式。通过简化的几何结构，可推导出相关的力学表达式，如表1。用作承载结构时，对一个蜂窝陶瓷材料进行共面压缩，产生线弹性形变。超出临界应变时，其孔穴将发生脆性断裂而坍塌，一旦相对的孔壁开始相互接触时，孔穴坍塌即行终止。因为孔穴靠拢，故结构增密，刚度迅速变大。泡沫多孔的线弹性可用一组模量来表征：杨氏模量、剪切模量、弯曲模量和泊松比。线弹性的机制取决于孔穴是开孔还是闭孔。图1 多孔陶瓷的理想孔模型表1 多孔陶瓷的力学性能力学性能数学表达式杨氏模量开孔=闭孔=+剪切模量开孔=闭孔=+抗压强度开孔=闭孔=+注：C1 、C2和C3均为常数。研究表明，对于任何脆性固体，在拉伸时的断裂场都是由主要的缺陷控制。这种缺陷的扩展方式可由断裂机制的方法进行计算，剔除显微缺陷如气孔、裂纹和夹杂物等可使孔筋强度明显提高，增加相对密度也可提高压缩、拉伸时的弹性模量，脆性断裂应力等19。1.3.2 多孔陶瓷的热学性能在所有传统的非真空隔热体中，闭孔陶瓷材料的热导率是最低的。大多数泡沫多孔陶瓷材料的热膨胀系数与制备它们所用的固体材料近似相等，但泡沫体的模量更小，温度梯度产生的热应力也要小得多，这使其具有良好的抗热震性。这一点为陶瓷泡沫材料所利用，可作为热屏蔽材料和烧蚀涂层，泡沫材料的热导率：=+ 式3-1式中、分别为固体和气体的传导，为孔穴内的对流，为孔壁和孔隙的辐射。固体部分对热传导的影响与其相对密度有关，如= 式3-2式中：为固体材料的热导率，e为效率因子。= 式3-3式中：为表面热辐射率。为平均温度，t为试样厚度，为固体的衰减系统，可以通过下式得出：= 式3-4式中：为多孔陶瓷孔筋中固体分散，L为多孔体孔径。目前，由多孔陶瓷制作的典型耐热材料为耐热砖，其材质可为Zr02、SiC及镁盐、钙盐等，使用温度高达1600，传统窑炉和高温电炉的内衬多为多孔陶瓷。若将其内部抽成真空，多孔陶瓷将成为世界上最好的隔热材料，用于飞机以及航天器外壳的隔热20。1.3.3 多孔陶瓷的电性能多孔陶瓷具有较高的电阻和较低的介电损耗，当导电材料泡沫化时，其电阻率升高，其电导率会随着相对密度而线性地增加21，电阻率可描写为： 式3-5材料置于电场中时会被极化，极化趋势由介电常数来衡量，泡沫化会减小介电常数：=1+ 式3-6式中：为固体的介电常数，介电常数随着密度的降低而减小。损耗因子随密度的增大而线性增加，这是因为损耗因子是功耗因数乘以介电常数，而介电常数又是随密度的增大而线性增加的缘故，可由下式描述：= 式3-7式中：是制备多孔材料所用固体的损耗因子。泡沫陶瓷材料的电磁屏蔽性能远比常用含铁粉和含铜粉的涂料优良，对高频电磁波具有优良的屏蔽作用20。1.3.4 多孔陶瓷的声性能泡沫多孔陶瓷具有良好的吸声性能，可制备良好的吸声器。当空气压入或抽出开口多孔结构中时会产生粘滞损耗，封闭表面大大减小吸收，材料内存在着内在的阻尼耗散，大多数金属和陶瓷都具有低的内在阻尼能力，一般在10-610-2。用于吸声材料的多孔陶瓷要求有较小的孔隙尺寸(20150m)、较大的孔率(60以上)及较高的机械强度。声特性阻抗W和声在介质中传播常数，是描述材料声学特性的两个重要参数。=-=1+Q-/1+Q/(1+)2 式3-8=Kq/1+0.5Q/(1+)2+Q) 式3-9=(1-H)/H 式3-10式中：、为W的实部和虚部，、为的实部和虚部，Q为结构特性参数，H为气孔率，D为孔径。由于多孔陶瓷具有优良的耐火性和耐气候性，通常作为隔音降噪材料用于高层建筑、地铁、隧道等防火要求极高的场合，以及电视发射中心、电影院等有较高隔音要求的场合，并取得了很好的效果22。1.4 多孔陶瓷的应用随着控制材料的细孔结构水平的不断提高以及各种新材质、高性能多孔陶瓷材料的不断出现，多孔陶瓷的应用领域与应用范围也在不断扩大。目前，其应用已遍及环保、节能、化工、石油、冶炼、食品、制药、生物医学等科学领域，引起全球材料学科的高度关注。1.4.1 催化剂载体由于多孔陶瓷作为催化剂载体比表面性高，因而具有良好的吸附性能和活性。当多孔陶瓷被催化剂覆盖后，可以增加有效接触面积，使反应流体通过多孔陶瓷孔道时将大大提高转换效率和反应速率，从而提高催化效果。此外，多孔陶瓷还具有耐热、不污染、机械性能高、硬度高、可以加工成形、成本低等优点。正是因为具有这些优点，才使得多孔陶瓷材料能够在极其苛刻的条件下使用，因而已经被大量用于汽车尾气处理和化学工程的反应器中，来处理有毒、恶臭等有害气体。目前，多孔陶瓷作为催化剂载体的研究重点是无机分离催化膜。它结合了多孔陶瓷材料的分离和催化特性，因而将会具有广泛的应用前景和产生巨大的经济效益1。1.4.2 过滤和分离由多孔陶瓷材料制成的过滤装置过滤面积大、效率高，再加上耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀、机械强度高以及再生容易等优点，已被广泛应用于水的净化处理，油类的分离过滤以及有机溶液，酸碱溶液，一些粘性液体和焦炉煤气，甲烷等气体的分离，特别是在腐蚀性流体、高温流体、熔融金属及过滤流体中的放射性物质等应用领域，将会有其自身独特的优势3。1.4.3 吸音材料多孔陶瓷之所以可作为吸音材料，主要是因为多孔陶瓷可通过多子L结构对声波引起的空气压力进行分散，从而达到吸音的目的。但作为吸音材料，就要求多孔陶瓷要有较小的孔径(20-150m)，高的气孔率(60)以及较高的机械强度。多孔陶瓷可望用在地铁、隧道等防火要求极高的场合及电视发射中心、影院等对隔音要求较高的场合使用，将会取得较好的效果11。1.4.4 隔热材料多孔陶瓷由于气孔率高，使得其密度较小，热传导系数低，从而造成了巨大的热阻及较小的体积热容，使其成为传统的保温隔热材料。若将其内部气孔抽成真空，那么多孔陶瓷将成为目前世界上最好的隔热材料“超能隔热材料”，其传热系数比硬质聚甲酸乙酯泡沫还要低千倍。这种材料可用于高级保温，如保冷集装箱。更高级的多孔陶瓷隔热材料还可用于航天飞机外壳隔热、导弹头以及做强迫发汗体系的构件等17。1.4.5 生物工程材料多孔陶瓷由于具有生物相容性好，理化性能稳定，无毒副作用的优点，因而被用于制作生物材料。生物工程方面的应用研究将成为未来的一大热点。特别是目前，随着材料科学迅猛发展，几乎所有人体器官(神经系统除外)都可用人造材料来代替，如牙齿等的移植。可以预见，多孔陶瓷材料在生物工程方面的应用研究将成为未来的一大热点1。参考文献所有英文标点符号后面要求空一格！1 鞠银燕，朱士华，陈晓峰.多孔陶瓷的制备、应用及其研究进展J.硅酸盐通报， 2007，26（5）：939-974.2 王娇.Al203多孔陶瓷的制备和性能研究J.辽宁化工，2009，38（4）：239-243.3 赵毅，朱振峰，贺瑞华，胡俊峰.多孔陶瓷材料的研究现状及应用J. 陶瓷，2008， （7）：27-30.4 何俊生，冯小明.多孔材料的制备技术和研究现状J. 铸造技术，2010，31（8）： 1101-1103.5 刘军伟，张彤，范锦鹏，等. 多孔陶瓷制备工艺及研究进展J. 材料导报，2010，24（19）：39-43.6 杨金龙，林煌，席小庆，黄勇. 粒子稳定型泡沫浆料及多孔氧化铝陶瓷的制备J. 硅酸盐学报，2008，36（2）：220-223.7 林煌，杨金龙，唐来明，等.直接泡沫法制备泡沫陶瓷过滤器J.稀有金属材料与工程，2007，36（Z1）：376-378.8 李秋霞.直接发泡法制备氧化铝多孔陶瓷.耐火与石灰，2009，34（4）：52-60.9 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