多孔氧化鋁陶瓷的制備工藝及性能研究進展

多孔氧化鋁陶瓷的制備工藝及性能研究進展

氧化陶瓷被稱為“陶瓷王”。多孔氧化陶瓷具有硬度高、耐腐蝕性好、電極耗少、耐腐蝕性好等優(yōu)點。被稱為“節(jié)能減排”材料的奇葩。另外,制備多孔氧化鋁陶瓷原料來源廣泛、價格低廉、生產(chǎn)工藝簡單,具有較高的性價比,以及很大的商業(yè)價值?，F(xiàn)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、石油等領域中也具有十分誘人的應用前景。根據(jù)使用目的和對材料性能的要求不同,近年來逐漸開發(fā)出許多不同的制備技術,其中應用比較廣泛的有混料法、模板浸漬法、靜電紡絲法、電化學法。本文主要對近幾年來多孔氧化鋁陶瓷的制備工藝及性能研究作一綜述,對未來的研究方向進行展望。1多孔氧化陶瓷的制造1.1多孔氧化鋁陶瓷將陶瓷顆粒與添加劑(造孔劑、發(fā)泡劑、成孔劑等)充分混合均勻,壓制成型,然后采用加熱燒蝕等工藝,使添加劑溶解、溶化、進而汽化蒸發(fā),在陶瓷預制體中留下相應孔洞,形成多孔陶瓷預制體。添加劑的選擇多種多樣,例如仲伯煊等通過添加適量的塑性劑和造孔劑,采用擠壓成型的方式制備了氧化鋁纖維增強多孔陶瓷。Fadli等以蛋黃為成孔劑,通過蛋白發(fā)泡整合的方法制備出氣孔率為42%~71%的多孔氧化鋁陶瓷,研究表明,抗壓強度與氣孔率有關。不同的添加劑制備的多孔氧化鋁具有不同的特點:采用造孔劑成孔時,工藝簡單,易于大規(guī)模生產(chǎn),但氣孔分布均勻性差、氣孔率低,不適合作為金屬基復合材料的增強。采用發(fā)泡劑成孔時,其發(fā)泡反應速度快,不易控制,造成預制體結(jié)構(gòu)不均勻,坯體出現(xiàn)開裂、剝落、塌陷等缺陷,另外對原料的要求較高,但此工藝產(chǎn)品氣孔率大、強度高,特別適用于閉孔陶瓷制品(如輕質(zhì)保溫材料)的生產(chǎn);添加成孔劑法是較為簡單、經(jīng)濟的方法,還可以控制其孔徑的分布及機械強度。1.2通過燒結(jié)或燒結(jié)制備將具有一定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)作為模子,或浸漬到相應的液體中,或利用物理和化學的方法將有關材料沉積到模板的孔中或表面,通過燒結(jié)等方法除去模板,進而得到與模板形貌和尺寸一樣的材料。根據(jù)模板的來源分為天然模板和人造模板。1.2.1制備多孔陶瓷布動植物呈現(xiàn)出一種天然的分級構(gòu)造,具有多層次、多維、多尺度、多組分的有序性結(jié)構(gòu)組態(tài),氣孔率分布范圍寬廣,而且具備了優(yōu)異的性能。模板可以是木材、羽毛、骨骼等,也可以是DNA、淀粉、細菌、病毒等等。例如郭敏等以棉布和粘膠纖維布作為前驅(qū)體布,采用溶液浸漬法制備了纖維紋理與前驅(qū)體布織物結(jié)構(gòu)一致的Al2O3陶瓷布,燒結(jié)溫度越高,顯微組織越致密,纖維斷裂程度減小。另外,艾桃桃以冰為造孔模板,水玻璃溶液為粘結(jié)劑,制備氧化鋁多孔陶瓷,SEM結(jié)果表明,漿體的特性對多孔陶瓷的結(jié)構(gòu)影響較大。用生物模板法能近似復制出生物材料的天然形態(tài),其原料來源廣泛、可再生,成本較低,制備工藝簡便、易操作,還具有環(huán)保等優(yōu)勢,是環(huán)境相容性極為優(yōu)良的材料。盡管天然生物結(jié)構(gòu)具有很多獨特的優(yōu)勢,但是也存在一些缺陷,如在陶瓷化的過程中,由于高溫和劇烈的化學作用,引起各向異性收縮,造成裂紋及翹曲,對生物材料原結(jié)構(gòu)造成破壞。還有一個是不均勻性(如個體差異性等),不均勻性導致陶瓷材料的性能不穩(wěn)定、分散性大、一致性差。1.2.2多孔納米模板隨著科技的發(fā)展,天然生物材料已經(jīng)無法滿足人們的需要,而結(jié)合天然結(jié)構(gòu)及人為設計的人工材料得到人們的親睞。宋曄等利用溶膠-凝膠旋轉(zhuǎn)涂敷法在通孔的多孔陽極氧化鋁模板中制得韌性較高的鋯鈦酸鉛納米管,直徑與原始模板孔徑一致。Luchner等選用雙介孔分布的介孔碳為模板,通過控制前驅(qū)體的填充量,從單個硬模板出發(fā),合成正相和反相兩種介孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁材料。雖然以人造模板制備多孔氧化鋁工藝較為復雜,但其良好的性能是傳統(tǒng)方法所不能比擬的,因此得到了廣泛的應用。如人們利用多孔氧化鋁為模板,成功合成了金屬、半導體、有機化合物等材料,包括納米管、納米棒、納米線、納米帶等。另外,在蛋白質(zhì)及血液的分離、大腸桿菌的截留、葡萄糖的過濾、制備微偏振器件以及生物傳感器等方面有著非常廣泛的應用前景。在環(huán)保方面,可以去除煙道氣體的氧、硫及二氧化碳等。1.3復合納米纖維靜電紡絲技術是指使帶電的高分子溶液(或熔體)在高壓電場中流動拉伸變形,經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻固化,最后得到纖維的紡絲工藝。趙康等通過結(jié)合靜電紡絲和冷凍干燥技術,于低溫下靜電紡絲,經(jīng)冷凍干燥和燒結(jié)制得微納米多孔陶瓷纖維。張彥中等將鋁鹽、溶劑和鎳鹽混合攪拌得紡絲液,經(jīng)靜電紡絲得前軀體復合納米纖維,煅燒制得NiO/γ-Al2O3復合陶瓷納米纖維。這種纖維直徑分布均勻,長徑比較高,柔韌性好。靜電紡絲法因成本低、操作簡單、適用范圍較廣和不改變?nèi)芤鹤陨硖匦缘葍?yōu)點而備受人們關注。但得到的前驅(qū)體纖維是無機物/聚合物復合纖維,須通過高溫煅燒除去聚合物成分,得到無機纖維。雖然在紡絲過程中易形成有缺陷的“念珠狀”或“珠串”纖維,但靜電紡絲技術可以將纖維制成無紡布或薄膜形狀,能有效地控制纖維的排布,進而制備具有二維、三維結(jié)構(gòu)的纖維,廣泛應用于過濾與分離材料、催化劑的載體,傳感器、能源轉(zhuǎn)化和儲存設備的電極等方面。1.4次陽極氧化法電化學中最常見的制備方法是陽極氧化法,通過電化學技術,在純鋁的表面原位生長,形成具有六角柱狀并高度規(guī)則結(jié)構(gòu)的氧化鋁薄膜。薄膜多孔氧化鋁通常采用兩步陽極氧化法制備,大大改善了多孔氧化鋁膜的結(jié)構(gòu),孔洞排列更有序,孔徑分布更均勻。李雪芳以磷酸溶液為電解液、高純鋁為陽極,采用二次陽極氧化法制備多孔氧化鋁模板,發(fā)現(xiàn)孔徑隨著陽極電壓的增大而增大,并證實了鋁氧化的3個階段。另一種常用的制備方法便是電泳沉積法,是在外加電場的作用下,膠體粒子在分散介質(zhì)中向電極遷移,最后沉積在電極表面,通過顆粒團聚,形成均質(zhì)膜的方法。Chen等以工業(yè)級陶瓷片為支撐體,氧化鋁溶膠為電泳液,采用電泳沉積的方法,制備了膜厚在50μm左右的氧化鋁陶瓷膜。雖然電化學法簡單易行,工藝靈活,造價低廉,可在常溫下操作,但同樣存在著缺點:陽極氧化時,生成一定厚度絕緣性良好的氧化物薄膜后,電流將難以穿透這層阻擋膜,故而膜的生長較為緩慢;電泳沉積時,由于制備的多孔氧化鋁膜較薄、韌性較差,與基體分離時極易發(fā)生破裂和卷曲。4種常用方法的優(yōu)缺點見表1。2多孔氧化鋁基陶瓷多孔氧化鋁陶瓷具備較好的力學性能,科研人員們對這方面做了大量的研究。Fadli等以蛋黃為成孔劑,通過蛋白發(fā)泡整合的方法制備出多孔氧化鋁陶瓷,其抗壓強度為3.7~7.7MPa。多孔氧化鋁陶瓷還具有較高的隔熱性能,進而引起了廣大學者的注意。吳海波等通過固含量及發(fā)泡劑加入量的改變,得到其耐壓強度為9.4~32.5MPa,在1000℃下的熱導率為0.8W/(m·K)。另外,氧化鋁基陶瓷摩擦材料與聚合物基摩擦材料相比,前者花費僅為后者的3/4,但其使用壽命卻是后者的3~5倍。Guimaraes等研究了ZrO2/Al2O3復合陶瓷材料的摩擦磨損性能,研究表明,當ZrO2的體積分數(shù)為5%時,磨損率是3.5×10-6mm3/Nm,比其他陶瓷的磨損率要小很多。除對多孔氧化鋁陶瓷力學性能、保溫性能及摩擦磨損性能方面的研究外,相關領域的科研人員還對其絕緣性、吸附性及氣體滲透性等進行了研究。Menchavez等將導電相引入絕緣的多孔氧化鋁陶瓷中,隨著導電單體相的增加,會影響電阻率的降低。管蒙蒙等采用溶膠凝膠法制備出多孔氧化鋁陶瓷,該活性氧化鋁對甲醛吸附性能較好;添加20%聚乙烯醇作為造孔劑制備的多孔氧化鋁的吸附性能最好。Isobe等通過擠壓成形法制備了多孔氧化鋁陶瓷,氣體滲透性比其他方法得到的制品高得多。3多孔氧化鋁陶瓷的制備工藝多孔氧化鋁陶瓷由于其優(yōu)異的性能,吸引了相關科研人員的研究和開發(fā),在熔融金屬過濾、催化劑、控制大氣污染、傳感器、固定化酶載體等方面已經(jīng)得到了廣