多孔陶瓷实用技术

　　前言 多孔陶瓷是陶瓷的一个类别，它不仅具有普通陶瓷的化学稳定性好、刚度高、耐热性好等优良特性，还有更多的因其孔洞结构而具有的性能，如密度小、质量轻、比表面积大、导热系数小等等。由于其具有独特的化学、力学、热学、光学、电学等方面的性能，多孔陶瓷已经成为一类具有巨大应用潜力的材料。目前的应用领域已经涉及到环保、能源、航空航天、冶金、石油化工、建筑、生物医学、原子能、电化学等领域。用于分离过滤、吸声隔音、载体、隔热、换热、传感器、曝气、电极、生物植入、蓄热等许多场合。所有的应用产生了巨大的经济效益和社会效益。 或许具体的例子可以更好地说明多孔陶瓷孔结构的"妙处"。以下这些应用从不同的角度利用多孔陶瓷的孔结构，所起到的作用有些出人意料。 如：由无机盐和陶瓷基构成的显热／潜热复合储能材料（Composite Energy Storage Materials，即CESM），具有多孔结构，无机盐分布在陶瓷基体超微多孔网络中，当温度高于无机盐的熔点时，无机盐熔化而吸收潜热，但因毛细张力而不流出。由CESM构成的储热系统，可同时利用熔盐的潜热和陶瓷与无机盐材料的显热储存热能，因而它既有潜热储能密度大，且能量输出稳定和显热储能元件可与换热流体直接接触换热的优点，又克服了潜热存储系统成本高和熔盐腐蚀的缺点。CESM可用于太阳能高温利用和余热回收，当替代耐火砖时，其蓄热量提高2～2．5倍。 又如：为保持高速公路路面的良好状况，对已损坏路面的修复正受到高度关注。在一些发达国家，应用修补机对高速公路进行修补的修复技术已相当成熟，机械化、自动化的操作，既快速，又经济、实效，且修复后的修补面和原来的路面结合紧密，表面平整一致（这是国内传统的修补技术所无法比拟的），而这一切都离不开修补机上所装配的一种对路面加热的装置，该装置就是让一定压力、流量和流速的可燃气体在其内置的耐火多孑L陶瓷材料中燃烧，并通过被加热耐火材料的热辐射来烘烤公路修补面，这样修补的路面非常平整。 为了能够达到高速公路修补机施工技术的要求，对加热砖的性能要求如下： （1）透气量适中，以保证可燃气体能够进入制品内部，并能在其内部燃烧，以达到通过加热制品，使热量辐射到地面来达到烘烤的目的。若透气量过小，则可燃气体进入制品困难，不能产生足够的燃烧；透气量过大，则火焰易从制品内窜出，形成对路面的明火加热，易造成路面受热不均。 （2）热震稳定性好。由于该加热装置属于间歇性操作，故提高热震稳定性才能提高其使用寿命。 （3）体积密度要小，也就是制品要轻，以便于设备的移动。 （4）要有足够的强度，以抵抗机械力的作用。 对加热砖的性能指标要求如下：透气度160um，热震稳定性（1100℃水冷）≥10次，体积密度≤1．3g/cm3，常温耐压强度≥4MPa，耐火度≥1750℃。 再如，俄罗斯专家开发出一种新型多孔陶瓷材料，用该材料制成的压力变换器可以大大提高医用便携式超声诊断仪的诊断精度。 超声诊断仪的诊断精度主要取决于其"心脏"部件：压力变换器的工作性能。压力变换器由多孔材料制成，材料内部小孔的大小、形状和分布状况会影响压力变换器的超声测量效果。俄罗斯国立罗斯托夫大学研究人员利用专门的数学方法计算出小孔的最佳大小、形状和分布状况，并利用他们自己开发出的材料合成技术，向锆钛酸铅溶液中充入气泡，从而得到了理想的用来制造压力变换器的多孔陶瓷材料。 实验证明，利用这种陶瓷材料制成的压力变换器，可以使便携式超声诊断仪的诊断精度达到与庞大而昂贵的台式诊断仪精度相近的效果。 从这三个例子中，读者可以体会到多孔陶瓷孔结构的妙用。还有更多的实例将在各个相应的章节中介绍。 本书共分十章：前四章系统地介绍了多孔陶瓷的概念、各种类别、制备技术、性能测试、孔结构表征；后六章分别较全面地介绍了多孔吸声隔音陶瓷、绝热和超绝热多孔陶瓷、多孔陶瓷载体、多孔过滤陶瓷、生物多孔陶瓷、多孔陶瓷传感器。全书着重介绍了各种实用技术特别是制备技术。 在本书中关于孔的描述有孔隙、气孔、孔洞、孔穴、细孔、微孔、宏孔、大孔等。这些词汇基本含义都相同，是指相对于多孔陶瓷中的固相而言，包含在材料中的气相。它们也有差别，这些差别很容易根据词汇本身理解，相信读者可以根据不同的文献语境体会到其中的区别。本书尽可能地保留了所引用文献的提法。 本书虽然想尽可能地全面介绍多孔陶瓷，然而由于多孔陶瓷应用范围广泛，限于篇幅本书不可能面面俱到。如目前已经应用非常普遍的多孔陶瓷膜，因这方面的书籍已经很多，所以在本书中没有进行全面介绍，只是在多孔过滤陶瓷中涉及到一些。同样，多孔陶瓷分子筛也有专门的书籍介绍，本书基本没有涉及。此外，多孔陶瓷用作蓄热材料、换热材料、多孔陶瓷辐射板、储氢材料、电化学膜以及与其他材料的复合多孔材料等等，他们的性能、制备方法等限于篇幅，本书也不再详细介绍。如果以后有机会的话再整理出来介绍给大家。 在编著本书的过程中，参阅了国内外几百篇学术论文、书籍、公开的专利以及网上的资料，在此谨向这些作者表示衷心的感谢。另外，非常感谢郝旭君、陈百远、王安根、张凯、何海峰、张山川、支楠、常伟等同学，他们分别参与了多孔陶瓷传感器，、多孔吸声隔音陶瓷、多孔陶瓷孔结构的表征、多孔陶瓷的性能、绝热及超绝热多孔陶瓷、多孔生物陶瓷、多孔过滤陶瓷、多孔陶瓷载体等部分的编写工作。 多孔陶瓷的广泛应用涉及的知识面相当宽广，不仅仅需要材料方面的知识，还需要诸如生物医学、无机和有机化学、流体力学、食品学、电子电工学等方面的相关知识。作者在试图全面、系统地介绍多孔陶瓷时不免要涉足自己不熟悉的专业领域，限于自身的知识面和学识水平，其中不妥之处在所难免，还望各位读者批评指正。 作者 2005年10月

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第1章 多孔陶瓷概述
1．1 多孔陶瓷的应用实例
1．2 研究开发多孔陶瓷的意义
1．3 多孔陶瓷的定义
1．4 多孔陶瓷材料的类型
1．5 多孔陶瓷材料的性能第2章 多孔陶瓷的性能及其测量技术
2．1 多孔陶瓷的力学性能
2．2 多孔陶瓷的热学性能
2．3 多孔陶瓷的光学性能
2．4 多孔陶瓷的电学性能
2．5 多孔陶瓷的渗透性能第3章 多孔陶瓷的制备技术
3．1 一般多孔陶瓷的制备工艺过程
3．2 原料加工工艺及配料中的造孔技术
3．3 成型工艺中的造孔技术
3．4 干燥工艺中的造孔技术
3．5 烧成工艺中的造孔技术
3．6 其他的造孔工艺技术
3．7 复合造孔工艺
3．8 制备工艺对多孔陶瓷结构号性能的影响第4章 多孔陶瓷孔结构的表征技术
4．1 直接观测法
4．2 显微法
4．3 压汞法
4．4 气体吸附法
4．5 排除法
4．6 蒸汽渗透法
4．7 小角度散射法
4．8 热孔计法(thermoporometry)
4．9 核磁共振法。
4．10 分形维数法 第5章 绝热及超绝热多孔陶瓷
5．1 绝热材料的分类
5．2 多孔绝热陶瓷中的热传导
5．3 多孔绝热陶瓷的生产工艺
5．4 绝热材料的优化设计
5．5 超级绝热多孔陶瓷
5．6 绝热材料存在的问题及其发展第6章 多孔吸声隔音陶瓷
6．1 多孔陶瓷吸声隔音机理
6．2 吸声材料的制备工艺
6．3 吸声性能的测试
6．4 各种多孔吸声隔音陶瓷第7章 多孔陶瓷载体
7．1 催化剂与载体的相互作用
7．2 催化剂载体的物理性质及其控制
7．3 氧化铝催化剂载体
7．4 非氧化铝型催化剂载体
7．5 汽车尾气催化剂载体
7．6 固定化酶载体
7．7 其他载体第8章 多孔过滤陶瓷
8．1 多孔陶瓷的过滤机理及性能
8．2 用于熔融金属过滤的多孔陶瓷
8．3 水过滤多孔陶瓷
8．4 气体过滤用的多孔陶瓷
8．5 用于食品医药过滤的多孔陶瓷
8．6 用于曝气的多孔陶瓷
8．7 用于电化学、燃料电池的多孔陶瓷
8．8 由过滤体组装成过滤装置第9章 多孔生物陶瓷
9．1 生物陶瓷
9．2 羟基磷灰石与磷酸三钙
9．3 多孔生物陶瓷的孔隙与性质
9．4 多孔生物陶瓷的制备
9．5 多孔生物陶瓷的性能及其测试
9．6 多孔生物陶瓷的应用实验
9．7 多孔生物陶瓷的发展方向第10章 多孔陶瓷传感器
10．1 多孔陶瓷传感器类型
10．2 多孔陶瓷传感器的工作原理
lo．3 气敏传感器
10．4 湿度传感器
10．5 多功能传感器
10．6 多孔陶瓷传感器的未来发展方向

参考文献