氧化鋁多孔陶瓷的制備及其性能的研究

1、單位代碼：10433學(xué) 號(hào)：Y1106173分類(lèi)號(hào)：TQ174密 級(jí)：山東理工大學(xué)碩士學(xué)位論文氧化鋁多孔陶瓷的制備 及其性能的研究Study on Properties and Preparation of Al2O3 Porous Ceramics研究生： 唐鈺棟 指導(dǎo)教師： 白佳海 副教授 申請(qǐng)學(xué)位門(mén)類(lèi)級(jí)別： 工學(xué)碩士 學(xué)科專業(yè)名稱： 材料學(xué) 研究方向： 先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷 論文完成日期： 2021年4月15日 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不

2、包含為獲得山東理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何奉獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。研究生簽名： 時(shí)間： 年 月 日關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解山東理工大學(xué)有關(guān)保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保存送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以用不同方式在不同媒體上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或局部?jī)?nèi)容，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。(保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此協(xié)議)研究生簽名： 時(shí)間： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 時(shí)間： 年 月 摘 要本文以低溫燃燒合成的粉體為原料制備多孔氧化鋁陶瓷，并研究外加Z

3、rO2、MgO、淀粉燃料、引燃溫度，前驅(qū)體溶液中Al3+濃度、燒結(jié)溫度對(duì)多孔氧化鋁陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)、顯氣孔率、維氏硬度、孔徑分布的影響規(guī)律。主要實(shí)驗(yàn)工作和結(jié)論如下：1. 用溶膠低溫燃燒合成的粉體制備多孔氧化鋁陶瓷，并研究外加ZrO2、MgO、淀粉燃料、引燃溫度對(duì)多孔陶瓷性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：隨著ZrO2(3 mol%Y2O3)外加量(0、10、15和20 mol%)的增多，多孔陶瓷的顯氣孔率先增大，后略有減小。當(dāng)ZrO2外加量為15 mol%時(shí)，盡管多孔陶瓷的顯氣孔率較大，但Al2O3晶粒的平均尺寸較小，頸部較厚，因此其維氏硬度較高。隨著燃燒合成所用的燃料中淀粉外加量的增大(依次為0、15、

4、25、35、45、55 wt.%)，多孔陶瓷的顯氣孔率呈先增大，后減小的趨勢(shì)，其中當(dāng)外加淀粉量為35 wt.%時(shí)，制備的多孔陶瓷的顯氣孔率較大；此外，外加淀粉燃料還會(huì)影響Al2O3晶粒形貌，減小Al2O3晶粒尺寸，增強(qiáng)晶粒間頸部結(jié)合，提高多孔陶瓷的維氏硬度。外加MgO(0、1、2、3、4 mol%)，能使Al2O3晶粒間頸部結(jié)合變厚，提高維氏硬度，但沒(méi)有明顯影響多孔陶瓷的顯氣孔率。2. 用低溫燃燒-H2O2氧化處理法合成的粉體為原料制備多孔氧化鋁納米陶瓷，并研究前驅(qū)體溶液中Al3+濃度、燒結(jié)溫度對(duì)多孔陶瓷性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：隨著前驅(qū)體溶液中Al3+濃度(分別為、1、 mol/L)的升高，

5、制備的多孔陶瓷的顯氣孔率升高，多孔陶瓷的氣孔孔徑分布變寬，最可幾孔徑變大, 維氏硬度較低；當(dāng)燒結(jié)溫度從800 升高到1200 時(shí)(前驅(qū)體溶液中Al3+濃度為 mol/L)，多孔氧化鋁陶瓷的顯氣孔率下降，但Al2O3晶粒增大，缺陷增多，晶粒間結(jié)合變?nèi)?，?dǎo)致多孔陶瓷的維氏硬度下降。3. 將前驅(qū)體溶液(Al3+濃度為1 mol/L)浸漬在濾紙中，然后引燃燃燒合成Al2O3-ZrO2粉體。以合成的粉體為原料，經(jīng)成型、燒結(jié)(1000 )后，可制備多孔Al2O3-ZrO2陶瓷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)引燃溫度從300 升高到600 時(shí)，多孔陶瓷的顯氣孔率先減小，后增大；維氏硬度先增大，后減小。其中當(dāng)引燃溫度為40

6、0 時(shí)，多孔Al2O3-ZrO2陶瓷的顯氣孔率較低，維氏硬度較高。關(guān)鍵詞：燃燒合成；多孔陶瓷；氧化鋁；氧化鋯；淀粉 AbstractPorous ceramics were prepared using low-temperature combustion synthesized powders as starting materials. Effect of ZrO2, MgO, starch fuel, ignition temperature, Al3+ concentration in precursor solutions, sintering temperatures on mic

7、rostructures, open porosity, Vickers hardness, pore size distribution of the porous ceramics were investigated.1. Porous alumina ceramics were fabricated using powders as starting materials, which were synthesized using sol combustion。Effects of ZrO2, MgO, starch fuel, ignition temperature on proper

8、ties of the porous ceramics were studied. The experimental results showed that open porosity of the porous ceramics first increased and then decreased as the addition of ZrO2 (3 mol%Y2O3) rose from 0 to 20 mol%. The sample with addition of 15 mol%ZrO2 (3 mol%Y2O3) had the larger open porosity, much

9、smaller average size of Al2O3 grains and markedly thicker bonding neck than other specimens, which were believed to be mainly responsible for its higher Vickers hardness. Starch fuel could significantly affect open porosity of the porous ceramics. Open porosity of porous ceramics first increased and

10、 then decreased with starch (The addition was 0, 15, 25, 35, 45, 55 wt.%, respectively) added to the fuels. The specimen with addition of 35 wt.% starch showed the larger open porosity. The porous ceramics with additional starch as fuel exhibited much smaller average size of Al2O3 grains and markedl

11、y thicker bonding neck, which were mainly responsible for its higher Vickers hardness. Addition of MgO (1, 2, 3mol%) had no marked influence on open porosity of the porous ceramics, but could markedly promote Vickers hardness owing to the as-resulted thicker bonding neck.2. Porous alumina nano-ceram

12、ics was successfully prepared using the powders produced via low-temperature combustion synthesis, followed by oxidation by H2O2. The experimental results showed that as the Al3+ mol/L respectively) in precursor solutions increased, the sintered porous ceramics exhibited larger open porosity, wider

13、pore size distribution, larger peak pore size in pore size distribution, and thus lower Vickers hardness. When the Al3+ concentration in precursor solutions was 2.0 mol/L, and as the sintering temperature increased from 800 to 1200 , open porosity of the as-prepared porous ceramics decreased, while

14、the average Al2O3 grain size increased and the inter-granular combination decreased, which resulted in lower Vickers hardness.3. Filter paper was first imprinted in the precursor solutions (Concentration of Al3+is 1 mol/L), followed by ignition to combustion synthesize Al2O3-ZrO2 powders. Then porou

15、s Al2O3-ZrO2 ceramic was fabricated from the powders, which was pressed and then sintered at 1000. As the ignition temperature rose from 300 to 600 , open porosity of the porous ceramics first decreased and then increased; while the Vickers hardness first increased and then decreased. When Ignited a

16、t 400 , the porous Al2O3-ZrO2 exhibited lower open porosity, higher Vickers hardness than those samples ignited at 300, 500 or 600 . Key words: combustion synthesis; porous ceramics; alumina; zirconia; starch 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc385699748 摘 要 PAGEREF _Toc385699748 h I HYPERLINK l _To

17、c385699749 Abstract PAGEREF _Toc385699749 h II HYPERLINK l _Toc385699750 目 錄 PAGEREF _Toc385699750 h IV HYPERLINK l _Toc385699751 第一章 引言 PAGEREF _Toc385699751 h 1 HYPERLINK l _Toc385699752 課題的背景與意義 PAGEREF _Toc385699752 h 1 HYPERLINK l _Toc385699753 氧化鋁多孔陶瓷的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc385699753 h 1 HYPERLINK l

18、 _Toc385699754 氧化鋁多孔陶瓷備方法 PAGEREF _Toc385699754 h 1 HYPERLINK l _Toc385699755 機(jī)械擠出成型工藝 PAGEREF _Toc385699755 h 2 HYPERLINK l _Toc385699756 顆粒堆積成孔工藝 PAGEREF _Toc385699756 h 2 HYPERLINK l _Toc385699757 發(fā)泡成孔工藝 PAGEREF _Toc385699757 h 3 HYPERLINK l _Toc385699758 添加造孔劑工藝 PAGEREF _Toc385699758 h 3 HYPERLI

19、NK l _Toc385699759 有機(jī)泡沫浸漬工藝 PAGEREF _Toc385699759 h 4 HYPERLINK l _Toc385699760 溶膠-凝膠工藝 PAGEREF _Toc385699760 h 4 HYPERLINK l _Toc385699761 冷凍枯燥法 PAGEREF _Toc385699761 h 5 HYPERLINK l _Toc385699762 凝膠注模工藝 PAGEREF _Toc385699762 h 5 HYPERLINK l _Toc385699763 氧化鋁多孔陶瓷的應(yīng)用 PAGEREF _Toc385699763 h 5 HYPERL

20、INK l _Toc385699764 過(guò)濾與別離 PAGEREF _Toc385699764 h 6 HYPERLINK l _Toc385699765 敏感器件 PAGEREF _Toc385699765 h 8 HYPERLINK l _Toc385699766 生物醫(yī)用材料 PAGEREF _Toc385699766 h 8 HYPERLINK l _Toc385699767 不同前驅(qū)體對(duì)多孔氧化鋁陶瓷性能的影響 PAGEREF _Toc385699767 h 8 HYPERLINK l _Toc385699768 低溫燃燒合成工藝 PAGEREF _Toc385699768 h 9

21、HYPERLINK l _Toc385699769 本論文研究的目的與意義 PAGEREF _Toc385699769 h 11 HYPERLINK l _Toc385699770 本論文的研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc385699770 h 11 HYPERLINK l _Toc385699771 第二章 實(shí)驗(yàn)方案及測(cè)試方法 PAGEREF _Toc385699771 h 12 HYPERLINK l _Toc385699772 實(shí)驗(yàn)原料及儀器 PAGEREF _Toc385699772 h 12 HYPERLINK l _Toc385699773 實(shí)驗(yàn)方案 PAGEREF _Toc38

22、5699773 h 13 HYPERLINK l _Toc385699774 粉體的制備 PAGEREF _Toc385699774 h 14 HYPERLINK l _Toc385699775 試樣的燒結(jié)制備 PAGEREF _Toc385699775 h 15 HYPERLINK l _Toc385699776 性能的測(cè)試與表征 PAGEREF _Toc385699776 h 16 HYPERLINK l _Toc385699777 試樣燒成線收縮率的測(cè)定 PAGEREF _Toc385699777 h 16 HYPERLINK l _Toc385699778 氣孔率的測(cè)試 PAGEREF

23、 _Toc385699778 h 16 HYPERLINK l _Toc385699779 試樣的物相分析 PAGEREF _Toc385699779 h 17 HYPERLINK l _Toc385699780 試樣的顯微結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc385699780 h 17 HYPERLINK l _Toc385699781 氣孔孔徑分布測(cè)定 PAGEREF _Toc385699781 h 17 HYPERLINK l _Toc385699782 維氏硬度的測(cè)定 PAGEREF _Toc385699782 h 18 HYPERLINK l _Toc385699783 傅立葉變換紅外光譜

24、分析 PAGEREF _Toc385699783 h 18 HYPERLINK l _Toc385699784 2.3.8 X射線光電子能譜分析 PAGEREF _Toc385699784 h 18 HYPERLINK l _Toc385699785 第三章 高溫?zé)Y(jié)多孔氧化鋁陶瓷性能的研究 PAGEREF _Toc385699785 h 20 HYPERLINK l _Toc385699786 外加ZrO2對(duì)多孔陶瓷性能的影響 PAGEREF _Toc385699786 h 20 HYPERLINK l _Toc385699787 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 PAGEREF _Toc385699787 h 2

25、0 HYPERLINK l _Toc385699788 外加ZrO2對(duì)多孔陶瓷的物相分析 PAGEREF _Toc385699788 h 21 HYPERLINK l _Toc385699789 外加ZrO2對(duì)多孔陶瓷的性能分析 PAGEREF _Toc385699789 h 21 HYPERLINK l _Toc385699790 外加ZrO2對(duì)多孔陶瓷的孔徑分布分析 PAGEREF _Toc385699790 h 22 HYPERLINK l _Toc385699791 外加ZrO2對(duì)多孔陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc385699791 h 23 HYPERLINK l _T

26、oc385699792 淀粉燃料對(duì)多孔陶瓷性能的影響 PAGEREF _Toc385699792 h 25 HYPERLINK l _Toc385699793 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 PAGEREF _Toc385699793 h 25 HYPERLINK l _Toc385699794 粉體成分分析 PAGEREF _Toc385699794 h 25 HYPERLINK l _Toc385699795 淀粉燃料對(duì)多孔陶瓷的物相分析 PAGEREF _Toc385699795 h 253 HYPERLINK l _Toc385699796 淀粉燃料對(duì)多孔陶瓷的性能分析 PAGEREF _Toc385699

27、796 h 26 HYPERLINK l _Toc385699797 淀粉燃料對(duì)多孔陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc385699797 h 27 HYPERLINK l _Toc385699798 添加MgO對(duì)多孔陶瓷性能的影響 PAGEREF _Toc385699798 h 28 HYPERLINK l _Toc385699799 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 PAGEREF _Toc385699799 h 28 HYPERLINK l _Toc385699800 添加MgO對(duì)多孔陶瓷的物相分析 PAGEREF _Toc385699800 h 28 HYPERLINK l _Toc385699801

28、 添加MgO對(duì)多孔陶瓷的性能分析 PAGEREF _Toc385699801 h 29 HYPERLINK l _Toc385699802 添加MgO對(duì)多孔陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc385699802 h 29 HYPERLINK l _Toc385699803 引燃溫度對(duì)多孔陶瓷性能的影響 PAGEREF _Toc385699803 h 30 HYPERLINK l _Toc385699804 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 PAGEREF _Toc385699804 h 31 HYPERLINK l _Toc385699805 引燃溫度對(duì)多孔陶瓷的性能分析 PAGEREF _Toc385699

29、805 h 31 HYPERLINK l _Toc385699806 本章小結(jié) PAGEREF _Toc385699806 h 32 HYPERLINK l _Toc385699807 第四章 低溫?zé)Y(jié)多孔陶瓷性能的研究 PAGEREF _Toc385699807 h 33 HYPERLINK l _Toc385699808 燃燒前驅(qū)體溶液中Al3+濃度對(duì)多孔Al2O3陶瓷性能的影響 PAGEREF _Toc385699808 h 33 HYPERLINK l _Toc385699809 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 PAGEREF _Toc385699809 h 33 HYPERLINK l _Toc38569

30、9810 粉體的物相分析 PAGEREF _Toc385699810 h 34 HYPERLINK l _Toc385699811 粉體的紅外分析 PAGEREF _Toc385699811 h 34 HYPERLINK l _Toc385699812 粉體的XPS分析 PAGEREF _Toc385699812 h 35 HYPERLINK l _Toc385699813 前驅(qū)體中Al3+濃度對(duì)多孔Al2O3陶瓷的物相分析 PAGEREF _Toc385699813 h 36 HYPERLINK l _Toc385699814 前驅(qū)體中Al3+濃度對(duì)多孔Al2O3陶瓷的性能分析 PAGERE

31、F _Toc385699814 h 36 HYPERLINK l _Toc385699815 前驅(qū)體中Al3+濃度對(duì)多孔Al2O3陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc385699815 h 37 HYPERLINK l _Toc385699816 前驅(qū)體中Al3+濃度對(duì)多孔Al2O3陶瓷的孔徑分布分析 PAGEREF _Toc385699816 h 37 HYPERLINK l _Toc385699817 燒結(jié)溫度對(duì)多孔Al2O3陶瓷性能的影響 PAGEREF _Toc385699817 h 39 HYPERLINK l _Toc385699818 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 PAGEREF _Toc3

32、85699818 h 39 HYPERLINK l _Toc385699819 燒結(jié)溫度對(duì)多孔Al2O3陶瓷的物相分析 PAGEREF _Toc385699819 h 39 HYPERLINK l _Toc385699820 燒結(jié)溫度對(duì)多孔Al2O3陶瓷的性能分析 PAGEREF _Toc385699820 h 40 HYPERLINK l _Toc385699821 燒結(jié)溫度對(duì)多孔Al2O3陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc385699821 h 40 HYPERLINK l _Toc385699822 低溫?zé)Y(jié)Al2O3-ZrO2多孔陶瓷的性能研究 PAGEREF _Toc385

33、699822 h 41 HYPERLINK l _Toc385699823 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 PAGEREF _Toc385699823 h 42 HYPERLINK l _Toc385699824 低溫?zé)Y(jié)多孔Al2O3-ZrO2陶瓷的物相分析 PAGEREF _Toc385699824 h 42 HYPERLINK l _Toc385699825 低溫?zé)Y(jié)多孔Al2O3-ZrO2陶瓷的性能分析 PAGEREF _Toc385699825 h 43 HYPERLINK l _Toc385699826 引燃溫度對(duì)低溫?zé)Y(jié)多孔Al2O3-ZrO2陶瓷性能的影響 PAGEREF _Toc385699826

34、 h 43 HYPERLINK l _Toc385699827 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 PAGEREF _Toc385699827 h 43 HYPERLINK l _Toc385699828 引燃溫度對(duì)多孔Al2O3-ZrO2陶瓷的物相分析 PAGEREF _Toc385699828 h 44 HYPERLINK l _Toc385699829 引燃溫度對(duì)多孔Al2O3-ZrO2陶瓷的性能分析 PAGEREF _Toc385699829 h 44 HYPERLINK l _Toc385699830 引燃溫度對(duì)多孔Al2O3-ZrO2陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc385699830 h 45

35、HYPERLINK l _Toc385699831 本章小結(jié) PAGEREF _Toc385699831 h 47 HYPERLINK l _Toc385699832 第五章 結(jié)論與展望 PAGEREF _Toc385699832 h 48 HYPERLINK l _Toc385699833 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc385699833 h 49 HYPERLINK l _Toc385699834 致 謝 PAGEREF _Toc385699834 h 53 HYPERLINK l _Toc385699835 在校期間公開(kāi)發(fā)表論文 PAGEREF _Toc385699835 h 54第

36、一章 引言課題的背景與意義多孔陶瓷是一種材料內(nèi)部含有大量孔洞(彼此相通或閉合氣孔)的無(wú)機(jī)非金屬材料，可利用其較高的外表積和材質(zhì)本身等特點(diǎn)，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域1，具有廣闊的開(kāi)展前景。多孔陶瓷可從不同的角度進(jìn)行分類(lèi)。如果按孔徑大小，可將多孔陶瓷分為：微孔陶瓷(孔徑2 nm)、介孔陶瓷(孔徑為250 nm)以及宏孔陶瓷(孔徑大于50 nm)。按材料內(nèi)部孔是否連通：可分為閉氣孔、開(kāi)氣孔和半開(kāi)氣孔三種根本類(lèi)型2。假設(shè)按陶瓷基體材料的種類(lèi)1，又可分為氧化鋯基、氧化鋁基、碳化硅基及二氧化硅基等多孔陶瓷。 氧化鋁多孔陶瓷是多孔陶瓷材料中尤為重要的一種材料，它不僅具備氧化鋁硬度高、耐高溫、耐腐蝕、高的電絕緣性與低的

37、介電損耗等特點(diǎn)3-6，以及材料體內(nèi)較高的比外表積，廣泛應(yīng)用于氣體和液體過(guò)濾、凈化別離、化工催化載體、生物植入材料、吸聲減震和傳感器材料等眾多領(lǐng)域，并且應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，市場(chǎng)需求量也日益增大，前景非常廣闊。氧化鋁多孔陶瓷的研究現(xiàn)狀由于多孔氧化鋁陶瓷優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景，一直受到國(guó)內(nèi)外研究工作者的廣泛關(guān)注7,8。雖然有很多制備工藝能制備出性能較高的多孔氧化鋁陶瓷，但是仍有一些問(wèn)題需要解決，其中主要問(wèn)題有：1.研發(fā)或改善氧化鋁多孔陶瓷的制備工藝，降低生產(chǎn)本錢(qián)。2.處理好強(qiáng)度與氣孔率之間的關(guān)系。保持氧化鋁多孔陶瓷原有的氣孔率不變，提高其材料的強(qiáng)度；或是在提高氣孔率的同時(shí)，也提高了材料的強(qiáng)度。3.

38、能夠較為準(zhǔn)確地控制材料的孔徑大小。為了滿足各領(lǐng)域的需要，研究工作者研發(fā)了許多制備氧化鋁多孔陶瓷的工藝。下面簡(jiǎn)單介紹幾種制備多孔氧化鋁陶瓷常用的方法：機(jī)械擠出成型工藝機(jī)械擠壓成型工藝是將制備好的泥條通過(guò)一種預(yù)先設(shè)計(jì)好的具有蜂窩網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的模具擠出成型，再經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)得到的，該工藝是制備蜂窩陶瓷最常用的方法，工藝流程如下圖： 制品燒成 枯燥擠出成型 混料原料合成圖1.1 擠壓成型的工藝流程Fig 1.1 Technological process of extrusion molding 擠壓成型工藝最大的特點(diǎn)是可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)多孔陶瓷的孔形狀(三角形、正方形、六角形等)以及孔徑大小進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，并

39、且孔隙率較均勻，適宜大批量生產(chǎn)，但該工藝很難制備出孔徑小于1 mm以及孔道結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品，同時(shí)也要求坯料應(yīng)具有較高的塑性。由擠壓成型工藝制備出的蜂窩陶瓷常被用作汽車(chē)尾氣凈化器的載體。顆粒堆積成孔工藝顆粒堆積成孔工藝是利用骨料顆粒間按照一定的堆積方式，粘結(jié)形成多孔結(jié)構(gòu)，燒結(jié)制成多孔陶瓷。在燒結(jié)中骨料間的粘結(jié)主要靠?jī)煞N方式結(jié)合：一是利用(添加與其組分相同的顆粒)微細(xì)顆粒的易于燒結(jié)的特點(diǎn)，在一定的溫度，將大顆粒粘結(jié)起來(lái)；二是用一些易熔的粘結(jié)劑(它們可在高溫下形成能與骨料相浸潤(rùn)的液相，或能與骨料間發(fā)生固相反響)將顆粒連接。在顆粒堆積工藝中，研究工作者常常通過(guò)調(diào)整顆粒級(jí)配對(duì)孔洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。研究說(shuō)明：骨

40、料的顆粒尺寸對(duì)多孔陶瓷的氣孔分布有顯著影響，顆粒粒徑越大，形成的平均氣孔孔徑也就越大；骨料的顆粒尺寸越均勻，產(chǎn)生的氣孔孔徑分布也越均勻。羅儒顯等9用顆粒堆積法制備出了具有孔隙結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷膜管，其中基質(zhì)管的孔隙率在40%50%，平均孔徑在 um，并有一定的機(jī)械強(qiáng)度。另外，選擇不同種類(lèi)的添加劑和燒成溫度對(duì)微孔體中孔徑大小、分布有直接關(guān)系。如Yang等10在氮化硅中添加Yb2O3助劑，制備了孔經(jīng)分布更均勻，孔隙率較好的多孔氮化硅陶瓷。顆粒堆積成孔工藝簡(jiǎn)單，但制品的孔隙率較低，一般為20%30%左右。故需添加一些造孔劑，提高氣孔率。發(fā)泡成孔工藝是向陶瓷組分中添加一些能夠起發(fā)泡作用的物質(zhì)(有機(jī)、無(wú)機(jī)

41、化學(xué)物質(zhì))，這些物質(zhì)能在加熱處理期間放出氣體，在材料內(nèi)部留下孔洞，可制備出各種孔徑大小和形狀的多孔陶瓷。發(fā)泡成孔工藝所用的主要發(fā)泡劑有蛋白質(zhì)11、碳化鈣、氫氧化鈣、十二烷基磺酸鈉、鋁粉硫酸鋁和雙氧水、親水性聚氨酯塑料，或用混合發(fā)泡劑，例如硫化物和硫酸鹽混合作發(fā)泡劑等。根據(jù)發(fā)泡方式的不同，可將發(fā)泡成孔工藝分為干法發(fā)泡和濕法發(fā)泡這兩種工藝。所謂的干法發(fā)泡就是將發(fā)泡劑與陶瓷粉末相混合，并將混合粉料壓制成型，在氧化氣氛下加熱使材料內(nèi)部的發(fā)泡劑釋放出氣體，得到多孔陶瓷。吳皆正等12用十二烷基磺酸鈉和硫酸鈣為發(fā)泡劑，以石英砂為原料，制備了孔隙度為35%55%，孔徑分布較窄和強(qiáng)度較高的可控微米級(jí)多孔陶瓷材料

42、。所謂濕法發(fā)泡就是利用陶瓷懸浮液進(jìn)行發(fā)泡來(lái)制備多孔陶瓷。此工藝的制備過(guò)程相比照擬復(fù)雜，一般是先將陶瓷粉末、外表活性劑、有機(jī)粘結(jié)劑、凝膠劑和水等成分充分混合，然后可通過(guò)機(jī)械攪拌發(fā)泡(發(fā)泡方法有化學(xué)反響釋放氣體發(fā)泡、發(fā)泡劑分解發(fā)泡、低熔點(diǎn)劑蒸發(fā)發(fā)泡、注入氣流發(fā)泡等)方法，制備出泡沫懸浮液，然后經(jīng)枯燥，燒制成多孔陶瓷。Binner J G P13采用發(fā)泡法制備了孔徑大小分別為：300400 um、50100 um和2050 um，其體積密度分別為0.1 g/cm3、0.2 g/cm3和0.3 g/cm3，耐壓強(qiáng)度分別到達(dá)了：3 MPa、25 MPa和81 Mpa的多孔氧化鋁陶瓷。發(fā)泡成孔工藝能夠更容

43、易控制制品的形狀，成分和密度等，很適于生產(chǎn)制備高氣孔率的閉孔陶瓷材料，但是這種方法的工藝條件較難控制，且對(duì)原料要求比擬高。添加造孔劑工藝添加造孔劑工藝是制備多孔陶瓷中較為簡(jiǎn)單的方法。此工藝的流程與普通的陶瓷工藝相似，只是需在陶瓷坯料中添加一定量造孔劑(具有可揮發(fā)性或者可燃性物質(zhì))，然后經(jīng)枯燥、燒結(jié)后，在造孔劑消失的位置留下孔隙，制得多孔陶瓷。用添加造孔劑工藝制備的孔徑較大(一般在1700 m)，且孔隙分布均勻性較差，氣孔率一般為2090%。在添加造孔劑工藝中，多孔陶瓷的氣孔的形狀和大小主要取決于造孔劑的形狀和大小，所以要根據(jù)多孔陶瓷的用途來(lái)選擇適宜的造孔劑及用量。造孔劑的種類(lèi)有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩類(lèi)，

44、常用的無(wú)機(jī)造孔劑有氯化鈉13、二氧化硅14、碳酸銨、碳酸氫銨、氯化銨、煤粉以及碳粉15等；常用的有機(jī)造孔劑主要是高分子聚合物、有機(jī)酸天然纖維15-17、淀粉18-24等。LyCkfldt等17用可溶性淀粉，制備出了孔徑在1080 um,氣孔率在23%70%的多孔氧化鋁陶瓷。曾令可等人系統(tǒng)研究了不同造孔劑以及添加量對(duì)制備多孔氧化鋁陶瓷的影響，發(fā)現(xiàn)選擇不同造孔劑，將對(duì)多孔陶瓷的氣孔率產(chǎn)生極大的影響，同時(shí)當(dāng)增加造孔劑的量，將增大多孔氧化鋁的平均孔徑和氣孔率。另外多孔陶瓷中氣孔率的上下和強(qiáng)度取決于燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間等因素。由于大多數(shù)造孔劑的燃燒、分解溫度較低，當(dāng)造孔劑完全以氣體形式放出后，局部較小的氣

45、孔會(huì)隨著溫度的升高、保溫時(shí)間等因素而導(dǎo)致氣孔封閉或消失，雖然材料的強(qiáng)度有所升高，但極大的降低了多孔陶瓷的氣孔率。如果將高溫造孔劑和低溫造孔劑配合使用，在燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間不變的情況下，可以有效得提高材料的氣孔率。因此，為了得到相對(duì)較高的氣孔率和強(qiáng)度，應(yīng)選擇適宜的造孔劑和燒結(jié)溫度。有機(jī)泡沫浸漬工藝是憑借有機(jī)泡沫體的特殊結(jié)構(gòu)(開(kāi)孔三維網(wǎng)狀骨架)，將制備好的料漿涂覆在有機(jī)泡沫體上，經(jīng)枯燥，燒掉有機(jī)泡沫體后獲得一種網(wǎng)眼多孔陶瓷，該方法的關(guān)鍵問(wèn)題是有機(jī)泡沫體的選擇和有機(jī)泡沫浸漬漿量的成形。有機(jī)泡沫體的選擇要考慮到孔的大小、形狀、一定的親水性和足夠的回彈性。在有機(jī)泡沫體浸漬漿料成形時(shí)，關(guān)鍵是保證漿料在網(wǎng)絡(luò)

46、孔壁上分布均勻，減少堵孔。這是決定多孔陶瓷中氣孔的均勻性及力學(xué)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。李飛舟等25用有機(jī)泡沫浸漬和凝膠注模工藝制備了不同氣孔率的氧化鋁陶瓷。有機(jī)泡沫浸漬工藝可制備出強(qiáng)度和氣孔率較高、大孔徑(且開(kāi)氣孔)的材料，但其密度很難控制，且制品的形狀易受限制。溶膠-凝膠(sol-ge1)工藝是在液相下將高化學(xué)活性組分的化合物混合均勻，然后使其水解、反響后形成穩(wěn)定的透明溶液，溶膠再經(jīng)過(guò)緩慢聚合，形成三維空間結(jié)構(gòu)的凝膠體，等凝膠燒結(jié)固化處理后，可形成可控的多孔結(jié)構(gòu)材料。該方法常來(lái)于微孔陶瓷材料(特別是微孔陶瓷薄膜)的制備。與其他方法相比擬，溶膠-凝膠法可在孔徑分布、形變、純度及顯微結(jié)構(gòu)等方面改善氧化鋁

47、多孔陶瓷的性能。AKritikaki等的研究結(jié)果說(shuō)明：分別將Al2O3粉末和水鋁石溶膠參加微米尺寸的氧化鋁粉末中，多孔氧化鋁陶瓷的彎曲強(qiáng)度和氣孔率都得到一定的提高，以溶膠形式成形的多孔氧化鋁陶瓷的彎曲強(qiáng)度提高更明顯26。 枯燥法冷凍枯燥工藝是先將水基漿料在低溫下凍結(jié)至其共晶點(diǎn)以下，然后通過(guò)加熱直接將冰升華為水蒸氣，除去坯體中的冰，在坯體中留下開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，再經(jīng)燒結(jié)制成多孔陶瓷。該工藝具有收縮率小，在燒結(jié)過(guò)程中釋放氣態(tài)H2O，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成任何污染，而且孔密度范圍大、機(jī)械強(qiáng)度較高，具有廣闊的開(kāi)展前途。Fukazawa27等用冷凍-枯燥工藝制備出單峰孔(10 m)和雙峰孔(10 m)的多孔A12O3，

48、其起始料漿濃度、燒結(jié)時(shí)間、冷凍和燒結(jié)溫度對(duì)孔徑分布和微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響。凝膠注模工藝是美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次提出的28。該技術(shù)是把漿料注入非孔模具模后，利用漿料內(nèi)部(或少量有機(jī)添加劑)的化學(xué)反響使陶瓷漿料原位凝固成顯微結(jié)構(gòu)均勻、密度較高、便于加工的胚體，再經(jīng)燒結(jié)制備成多孔材料。凝膠注模工藝具有凝固時(shí)間可調(diào)，顯微結(jié)構(gòu)均勻、強(qiáng)度高、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已廣泛用于制備多孔陶瓷。Pilar Sepulveda用該工藝制備了抗彎強(qiáng)度為26 MPa，孔隙率達(dá)90%的多孔氧化鋁陶瓷。但該法僅適用于能快速膠凝，且用于凝膠注模的有機(jī)單體較少，目前有甲基丙烯酸、甲基丙烯酸胺和丙烯酸胺等。氧化鋁多孔陶瓷因具有獨(dú)特的物

49、理和化學(xué)性能，應(yīng)用十分廣泛，下面主要介紹以下幾種應(yīng)用領(lǐng)域：過(guò)濾與別離過(guò)濾是將懸浮在某種相(熔融體、液體、氣體)中的固體粒子，或?qū)煞N不相容的液體加以別離。由多孔陶瓷的制品組成的過(guò)濾裝置具有多慮面積大，過(guò)濾效果高等特點(diǎn)，以及氧化鋁本身就具有耐高溫、耐腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高、不污染過(guò)濾液體、高的電絕緣性以及低的介電損耗等特點(diǎn)，能在某些特殊領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用29-32。(1) 熔融金屬過(guò)濾為了提高金屬材料的純度、金屬內(nèi)在質(zhì)量和性能，常需要用多孔陶瓷過(guò)濾器除去金屬液體中的雜志和氣體，破壞金屬液渣包，延長(zhǎng)渣上浮時(shí)間，起到金屬液“整流的作用，從而到達(dá)凈化金屬液的作用33。氧化鋁多孔陶瓷過(guò)濾器(一般有網(wǎng)狀、

50、蜂窩狀、泡沫、顆粒狀和芯型等)具有熱膨脹系數(shù)較低、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在過(guò)濾鐵、鋁等熔融金屬液的過(guò)程中能去除鋼水中的雜質(zhì)和氮氧化合物，也能保證金屬液不受污染，在金屬液的長(zhǎng)期作用下不軟化變形和開(kāi)裂，并且可重復(fù)利用。北京科技大學(xué)用氧化鋁多孔陶瓷過(guò)濾熔融工業(yè)純鐵時(shí)：氮除去率到達(dá)19%53%，除渣率可到達(dá)10%40%。(2) 液體過(guò)濾 氧化鋁多孔陶瓷憑著高的化學(xué)穩(wěn)定性及多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，已普遍用于凈化生活和工業(yè)廢水處理。多孔氧化鋁陶瓷能夠過(guò)濾掉水中的夾雜物、大量的微生物和重金屬離子，也可起到抗菌、殺毒防霉等成效。在處理含油廢水中，氧化鋁過(guò)濾膜可除去99.5%以上的油污，這大大降低了水中油的濃度

51、含量。另外，Jonsson和petermson34用孔徑為200 nm的多孔氧化鋁膜使廢水中化學(xué)耗氧量去除率到達(dá)了25%45%。王懷林35等人利用研制出的孔徑為500 nm和200 nm多孔氧化鋁膜對(duì)石油別離器出口處污水進(jìn)行處理，也起到了很好的效果。(3) 廢氣凈化處理近年來(lái)，我國(guó)霧霾天氣頻頻發(fā)生，已經(jīng)嚴(yán)重影響到我們的日常生活和身體健康，為了減少大氣的污染，應(yīng)提高汽車(chē)尾氣和工業(yè)廢氣的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)氣體凈化裝置的要求也日益提高。多孔氧化鋁陶瓷具有強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)低、壽命長(zhǎng)、起燃快、催化轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn)，常被用作氣體凈化器裝置中催化劑載體36，從形式上把該載體可分為顆粒狀和整體兩類(lèi)。顆粒狀載體

52、主要為活性氧化鋁(Al2O3)，它具有較大的比外表積(200300 m2/g)、較高的機(jī)械強(qiáng)度、制備簡(jiǎn)單、裝填容易、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是早期常用的催化劑載體，但由于活性氧化鋁載體具有暖機(jī)性能差，熱容量高，堆積式填裝導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力增大，輸出功率降低，油耗上升，容易在轉(zhuǎn)化器中易磨損粉化，造成二次污染等缺點(diǎn)。蜂窩陶瓷具有更大幾何外表積37、相對(duì)較短的擴(kuò)散距離、而且易于被負(fù)載催化劑，并可縮小反響器體積等優(yōu)點(diǎn)。因此，目前顆粒狀載體已被整體式蜂窩狀載體所取代。在一些工廠(化工廠、發(fā)電廠等)中每天都會(huì)排出大量的廢氣，為了減少有毒、有腐蝕性等有害氣體的排放，可用多孔陶瓷載體作為催化器凈化處理。這種催化凈化裝

53、置的主要原理是將混合氣體(廢氣和空氣)利用催化燃燒法將廢氣轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的二氧化碳和水。催化燃燒轉(zhuǎn)化主要是靠Pd完成。氧化鋁多孔陶瓷具有耐高溫、硬度高以及高的化學(xué)穩(wěn)定性，是理想的催化劑載體。發(fā)電廠和工業(yè)窯爐中煤炭燃燒釋放出大量的NOx有害氣體，用氧化鋁質(zhì)催化劑載體可經(jīng)濟(jì)高效的凈化這些廢氣，減少大氣污染。(4) 電池隔膜材料多孔氧化鋁陶瓷具有液體與氣體接觸面積大，槽電壓比一般材料低等特性，也可被用于制備燃料、化學(xué)電池用隔離板或電解隔膜等38。由于多孔陶瓷制作的電解隔膜材料(形狀多為板狀或管狀)可大大提高電解效率、能降低電解槽電壓、節(jié)約電極材料和電能的消耗，而被用作燃料電池、化學(xué)電池和光化學(xué)電池的隔離

54、板，并且各種電池的有機(jī)元件可被多孔陶瓷制作的電池用隔離板所代替，從而較大幅度的延長(zhǎng)電池的使用壽命，減少環(huán)境污染。(5) 微孔別離膜多孔氧化鋁陶瓷制品非常適合用作陶瓷別離膜。目前，采用不同制備工藝所得的別離膜的孔徑尺寸一般在4 nm15 m之間。與有機(jī)別離膜相比，由于陶瓷別離膜具有耐高溫，強(qiáng)度高，耐腐蝕等特性，使得別離膜不僅利于用酸液清洗或高溫?zé)У确椒▽?duì)堆積在膜外表或微孔內(nèi)的有機(jī)物進(jìn)行處理，也適用于高壓體系，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。例如， m左右的氧化鋁陶瓷膜的透過(guò)速度為有機(jī)膜的4倍，能徹底去除糖蜜排放液中的雜質(zhì)物，這使得產(chǎn)品的質(zhì)量和效率都有所提高，從而減少了生產(chǎn)本錢(qián)。1.4.2敏感器件多孔陶

55、瓷因其獨(dú)有的孔結(jié)構(gòu)，很容易吸附周?chē)囊恍┏煞?，?dāng)某些成分被吸收后，能引起多孔陶瓷中局部電壓或電流發(fā)生改變，再依據(jù)電壓或電流的變化量得出吸附某種成分的含量，所以多孔陶瓷常作為敏感元件材料來(lái)使用。根據(jù)多孔陶瓷吸附的物質(zhì)不同，可用于濕度傳感器、氣體傳感器及多功能傳感器等。氧化鋁多孔陶瓷具有一定的優(yōu)異性能，因此常被用作濕度傳感器。多孔氧化鋁陶瓷吸附空氣中的水分后，會(huì)引起材料外表的電導(dǎo)率的變化?？諝庵械臐穸仍酱螅嗫滋沾晌降乃畬泳蜁?huì)越厚，傳感器的電導(dǎo)也就越大，這樣就可根據(jù)材料電導(dǎo)的大小來(lái)推斷周?chē)h(huán)境的濕度。生物醫(yī)用材料氧化鋁多孔陶瓷由于具有大量的孔道結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定的化學(xué)性能以及在體內(nèi)無(wú)副作用等特點(diǎn)，是一種

56、很好的生物醫(yī)用材料，常被用作固定化酶載體。酶是具有催化功能的蛋白質(zhì)。酶作為一種催化劑，可降低反響的活化能，使反響更容易進(jìn)行，它的催化效率是一般無(wú)機(jī)催化劑的1071013倍，但為了固化酶，就需要固定化酶的載體39。例如：山鋁研究院曾研制出將玉米轉(zhuǎn)化分解成含果糖50%60%的高果糖漿的固酸酶載體，其固定酶存活率已達(dá)800010000個(gè)單位/g，具有很好的應(yīng)用前景。1.5不同前驅(qū)體對(duì)多孔氧化鋁陶瓷性能的影響近年來(lái)，許多研究說(shuō)明：在氧化鋁基體中參加納米氧化鋁，Al(OH)3、勃姆石凝膠等，都能顯著改善氧化鋁多孔陶瓷的性能。LI Guanghai等40在氧化鋁基體(24 m)中添加2wt.%納米級(jí)氧化鋁

57、顆粒(27 nm)時(shí)，試樣的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性顯著提高。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要是因?yàn)榧{米氧化鋁顆粒團(tuán)聚在普通氧化鋁晶界處，由于納米氧化鋁較高的外表擴(kuò)散能力，加強(qiáng)了界面間的接觸，提高了多孔陶瓷的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，晶界處的納米氧化鋁也抑制材料致密化，提高其氣孔率。 在氧化鋁基體中參加Al(OH)3，對(duì)的氧化鋁多孔陶瓷的性能有顯著的影響，由于超細(xì)Al(OH)3有較大的比外表，并在燒結(jié)過(guò)程中有形成過(guò)渡態(tài)Al2O3、Al2O3、Al2O3，在1200 開(kāi)始轉(zhuǎn)變成Al2O3，1300 完全變成Al2O3，并在晶型發(fā)生改變時(shí)有60%的體積收縮，當(dāng)Al(OH)3在轉(zhuǎn)變晶粒細(xì)小的Al2O3，可加強(qiáng)氧化鋁界，提高了氧

58、化鋁多孔陶瓷的強(qiáng)度。Zhang Guo-Jun等41將少量Al(OH)3參加氧化鋁基體中，氧化鋁多孔陶瓷的氣孔率和抗彎強(qiáng)度明顯提高。馬春等42用Al(OH)3超細(xì)粉體(顆粒小于5 m)，在1400 MPa的氧化鋁多孔陶瓷。胡少杰等43在用發(fā)泡工藝制備多孔氧化鋁陶瓷時(shí)，添加了20 wt.%Al(OH)3，顯著提高了材料的氣孔率和抗彎強(qiáng)度。Kritikaki等44在氧化鋁基體中添加4 wt.%-Al2O3納米粉體時(shí)，在保持氣孔率根本未變的情況下，氧化鋁多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度提高了50%。試樣強(qiáng)度的提高主要是因?yàn)椋瑓⒓?Al2O3可使氧化鋁晶粒大小更加均勻，晶粒間頸部結(jié)合變厚。在氧化鋁溶膠狀態(tài)下參加81

59、0 wt.% 納米材料成分，與在1500燒結(jié)的未添加納米材料成分的試樣相比，氣孔率提高了36%，試樣的彎曲強(qiáng)度到達(dá)35 MPa。在溶膠狀態(tài)下，添加經(jīng)噴霧枯燥的納米粉體，制備得到氣孔率為45%，彎曲強(qiáng)度為71 MPa的多孔氧化鋁陶瓷。Kwon and Messing45在普通的氧化鋁中引入勃姆石，可將試樣的機(jī)械強(qiáng)度提高23倍。1.6低溫燃燒合成工藝低溫燃燒合成是以硝酸鹽有機(jī)燃料(如尿素、淀粉等)的溶液為前驅(qū)體，經(jīng)低溫引燃后，能簡(jiǎn)便、快捷地制備出比外表積和燒結(jié)活性較高的單(或多)組分氧化物超細(xì)粉體。低溫燃燒合成工藝有許多優(yōu)點(diǎn)：1、工藝簡(jiǎn)單，不需復(fù)雜的設(shè)備。2、較低的引燃溫度，一旦引燃，反響會(huì)自發(fā)進(jìn)

60、行。3、可得到純度較高、粒徑較窄、易于粉碎、比外表積和活性較高的超細(xì)粉體。4、非常適合制備多組分氧化物，可以將多組分氧化物在分子水平上混合均勻。目前，許多研究工作著在現(xiàn)有的低溫燃燒合成的根底上行進(jìn)大量的研究，并對(duì)該方法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母牧肌?1) 自蔓延溶膠-凝膠燃燒合成法46自蔓延溶膠-凝膠燃燒合成是在一個(gè)均勻的凝膠混合物中，通過(guò)電熱板或微波爐燃燒合成，整個(gè)體系燃燒屬于體積燃燒合成法，這種方法可控制材料組成和結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物顆粒較細(xì)，產(chǎn)率較高，便于人們研究其反響機(jī)理。(2) 浸漬在惰性支撐物中的燃燒合成46這種方法的有兩個(gè)關(guān)鍵步驟，一是選擇組成和微觀結(jié)構(gòu)適宜的材料作為支撐物(比外表積較大的Al2O3和