中國粉體網訊 多孔氧化鋁陶瓷具有硬度高、耐高溫、耐磨、電絕緣、耐侵蝕、力學性能良好等優點，被譽為“節能減排”材料中的一支奇葩。此外，制備多孔氧化鋁陶瓷原料來源廣泛、價格較低廉、生產工藝較簡單，具有較高的性價比，現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、石油等領域中具有十分誘人的應用前景。
多孔陶瓷孔洞類型及結構
多孔陶瓷的孔隙尺寸、孔隙結構、孔隙率的大小決定了多孔陶瓷的性能以及應用場景。
多孔陶瓷孔洞類型示意圖
根據孔洞類型可將多孔陶瓷分為開孔形多孔陶瓷以及閉孔形多孔陶瓷。其中閉孔指的在陶瓷內部不與陶瓷外部連通的孔洞，開孔指的是與陶瓷外部連接的孔洞，它又分為半開孔與通孔。其中，半開孔指的是孔洞僅存在陶瓷表面，內部不能相互貫通。而通孔是陶瓷內部能夠與外界相連，并且孔與孔之間存在大量相互連通的孔洞，這些孔洞可以使得氣體、液體甚至固體從陶瓷內部通過。
根據孔隙大小可將多孔陶瓷分為：大孔多孔陶瓷（＞100μm）、介孔多孔陶瓷（50-100μm）和微孔多孔陶瓷（＜50μm）。大孔多孔陶瓷多應用于吸音、物理過濾等領域；介孔以及微孔多孔陶瓷多用于有益菌培養、電解槽、真空吸盤等方面。
根據孔洞結構可將多孔陶瓷分為交聯棒狀多孔陶瓷、蜂窩煤形多孔陶瓷、生物結構形多孔陶瓷、泡沫形多孔陶瓷等。
多孔氧化鋁陶瓷制備工藝
近些年來，制備多孔Al2O3陶瓷的工藝方法已經愈發成熟，主要包括發泡法、造孔劑法、有機泡沫浸漬法、冷凍干燥法等。雖然制備方法大不相同，但是其關鍵技術都是在通過控制氣孔形貌以及結構進而提升材料性能。
（1）造孔劑法
造孔劑法是指將固態造孔劑與陶瓷粉末混合均勻，造孔劑在陶瓷坯體中便占據一部分體積。在高溫燒結后，固態造孔劑蒸發，進而形成氣孔。造孔劑法的關鍵因素在于其造孔劑種類的不同以及添加量的多少。造孔劑法的優點在于易獲取、簡單，制備過程中通過調整造孔劑的形狀和大小便可以控制氣孔形貌。然而其缺點也十分明顯，造孔劑通常是作為第二相材料加入，因此很難將其與原料粉末完全混合均勻，這一點會造成材料性質不均勻，不利于材料性能的提升。此外，造孔劑法很難制備得到高氣孔率以及均勻分布氣孔的Al2O3陶瓷。
（2）有機泡沫浸漬法
有機泡沫浸漬法制備多孔陶瓷流程圖
有機泡沫浸漬法是使用帶有網狀結構的有機泡沫，把事先配制好的陶瓷漿料均勻涂抹在三維骨架的表面，干燥后將有機泡沫燒掉即可得到多孔陶瓷。因而選取恰當的有機材料在有機泡沫浸漬法制備過程中顯得尤為重要。此方法的優勢在于過程簡單、操作便捷，可以獲得氣孔率極高（70%~90%）的陶瓷，且可以通過不同種類的有機材料對陶瓷的結構以及形貌進行調整、優化。其缺點在于陶瓷漿料很難進入到有機泡沫內部的孔隙中，制備出的多孔陶瓷氣孔尺寸可達150μm，甚至幾毫米，這一點不利于強度的提升。
（3）冷凍干燥法
冷凍干燥法是近年來新型的多孔陶瓷制備工藝，其原理是將預先制備好的陶瓷漿料在低溫下冷凍，冷凍過程中漿料中的水分變為固相，再通過低壓真空的條件使固相物質直接升華為氣相，從而得到多孔陶瓷。制備過程中可以通過調整冷凍方向和固含量進而得到方向性好且氣孔率極高的多孔陶瓷。冷凍干燥法制備多孔陶瓷的優勢在于用水作溶劑，對環境無污染，是一種綠色的制備工藝。此外，此方法制備出的產品氣孔率可控范圍寬，通過調整漿料濃度、冷凍溫度等參數，可以制備出高定向、高氣孔率的多孔材料。
（4）凝膠注模法
美國橡樹嶺重點實驗室在上世紀九十年代首先提出凝膠注模法。該工藝是通過在單體與交聯劑的混合液中加入陶瓷粉以及引發劑，通過一系列化學反應使陶瓷漿料在原位固化成型，從而得到結構均勻、可加強性強的生坯。凝膠注模法的優點在于工藝簡單，在制備復雜產品時可以起到很好的作用。缺點在于可用的交聯體系太少，目前最成熟的交聯體系是丙烯酰胺體系，但是丙烯酰胺有很強的神經毒性，限制了該工藝更廣泛的應用。
（5）其它方法
多孔Al2O3陶瓷的制備方法很多，不同工藝制備出的樣品的特點也大不相同。發泡法制備出的多孔陶瓷通常具有超高的孔隙率（＞70%），但是通常其強度較低。固態燒結法不用額外添加造孔劑就能夠產生孔洞，但是這種方法制備出的多孔陶瓷孔隙率往往較低。
多孔氧化鋁陶瓷燒結機制
燒結是制備陶瓷過程中非常重要的環節，其原理實際上是原料坯體在高溫下獲得一定微觀結構、強度的過程。傳統工藝制備Al2O3陶瓷的燒結機制通常是固相燒結和液相燒結。
（1）固相燒結
固相燒結一般而言可以分為三個燒結階段，即燒結初期、燒結中期和燒結后期。在燒結初期階段，坯體是通過表面擴散或者蒸發-凝聚進行傳質燒結。燒結中期，隨著燒結頸不斷長大，顆粒間距離進一步減少，這使得陶瓷坯體在燒結中期變得更為致密，密度和強度都得到顯著提升。燒結后期主要發生的是晶粒的繼續長大，此階段致密化過程十分緩慢。
固相燒結Al2O3陶瓷的純度往往都很高，可以達到99.9%以上，可以應用在高溫環境以及對耐腐蝕性較高的場合。但是固相燒結通常需要較高的燒結溫度，這會導致燒結后陶瓷收縮率過高，從而造成氣孔率降低。
（2）液相燒結
液相燒結指的是陶瓷體系中的低熔點物質在燒結過程中融化，從而導致顆粒重排以及氣孔填充。其過程大致可以分為三個階段，即液相生成、固相溶解和析出、固相骨架的形成。第一階段，燒結溫度升高導致體系中開始生成液相。第二階段，小顆粒優先溶解進液相，這歸因于其較大的表面能。大顆粒表面則具有一定的飽和濃度，當被溶解物質濃度超過其表面飽和濃度時，便會開始析出物質。因此，該階段小顆粒逐漸縮小甚至消失，而大顆粒長大。第三階段，固相顆粒之間距離減小，剩余的液相填充氣孔，同時晶粒進一步長大。
液相燒結相比于固相燒結雖然可以有效降低燒結溫度，但是燒結助劑的加入會在體系中引入雜質，這一點不利于陶瓷力學性能的提升。
小結：
多孔Al2O3陶瓷相比于其它陶瓷性能較為優異，這使其有著十分廣泛的應用。目前制備多孔Al2O3陶瓷的主要方法包括造孔劑法、發泡法、冷凍干燥法等，這些方法的燒結工藝一般為固相或液相燒結工藝。燒結工藝對多孔Al2O3陶瓷結構與性能有直接影響。了解多孔Al2O3陶瓷制備與燒結對于其大規模工業化生產及應用具有非常重要的意義。
參考來源：
1、王字語.微米孔徑氧化鋁多孔陶瓷的構筑及性能研究
2、張澳一.片狀互鎖結構多孔氧化鋁陶瓷的制備與性能研究
3、中國粉體網：一文了解多孔氧化鋁陶瓷的性能及制備技術
（中國粉體網編輯整理/青黎）
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