多孔陶瓷實用技術

　　前言 多孔陶瓷是陶瓷的一個類別，它不僅具有普通陶瓷的化學穩(wěn)定性好、剛度高、耐熱性好等優(yōu)良特性，還有更多的因其孔洞結構而具有的性能，如密度小、質量輕、比表面積大、導熱系數(shù)小等等。由于其具有獨特的化學、力學、熱學、光學、電學等方面的性能，多孔陶瓷已經(jīng)成為一類具有巨大應用潛力的材料。目前的應用領域已經(jīng)涉及到環(huán)保、能源、航空航天、冶金、石油化工、建筑、生物醫(yī)學、原子能、電化學等領域。用于分離過濾、吸聲隔音、載體、隔熱、換熱、傳感器、曝氣、電極、生物植入、蓄熱等許多場合。所有的應用產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 或許具體的例子可以更好地說明多孔陶瓷孔結構的"妙處"。以下這些應用從不同的角度利用多孔陶瓷的孔結構，所起到的作用有些出人意料。 如：由無機鹽和陶瓷基構成的顯熱／潛熱復合儲能材料（Composite Energy Storage Materials，即CESM），具有多孔結構，無機鹽分布在陶瓷基體超微多孔網(wǎng)絡中，當溫度高于無機鹽的熔點時，無機鹽熔化而吸收潛熱，但因毛細張力而不流出。由CESM構成的儲熱系統(tǒng)，可同時利用熔鹽的潛熱和陶瓷與無機鹽材料的顯熱儲存熱能，因而它既有潛熱儲能密度大，且能量輸出穩(wěn)定和顯熱儲能元件可與換熱流體直接接觸換熱的優(yōu)點，又克服了潛熱存儲系統(tǒng)成本高和熔鹽腐蝕的缺點。CESM可用于太陽能高溫利用和余熱回收，當替代耐火磚時，其蓄熱量提高2～2．5倍。 又如：為保持高速公路路面的良好狀況，對已損壞路面的修復正受到高度關注。在一些發(fā)達國家，應用修補機對高速公路進行修補的修復技術已相當成熟，機械化、自動化的操作，既快速，又經(jīng)濟、實效，且修復后的修補面和原來的路面結合緊密，表面平整一致（這是國內(nèi)傳統(tǒng)的修補技術所無法比擬的），而這一切都離不開修補機上所裝配的一種對路面加熱的裝置，該裝置就是讓一定壓力、流量和流速的可燃氣體在其內(nèi)置的耐火多孑L陶瓷材料中燃燒，并通過被加熱耐火材料的熱輻射來烘烤公路修補面，這樣修補的路面非常平整。 為了能夠達到高速公路修補機施工技術的要求，對加熱磚的性能要求如下： （1）透氣量適中，以保證可燃氣體能夠進入制品內(nèi)部，并能在其內(nèi)部燃燒，以達到通過加熱制品，使熱量輻射到地面來達到烘烤的目的。若透氣量過小，則可燃氣體進入制品困難，不能產(chǎn)生足夠的燃燒；透氣量過大，則火焰易從制品內(nèi)竄出，形成對路面的明火加熱，易造成路面受熱不均。 （2）熱震穩(wěn)定性好。由于該加熱裝置屬于間歇性操作，故提高熱震穩(wěn)定性才能提高其使用壽命。 （3）體積密度要小，也就是制品要輕，以便于設備的移動。 （4）要有足夠的強度，以抵抗機械力的作用。 對加熱磚的性能指標要求如下：透氣度160um，熱震穩(wěn)定性（1100℃水冷）≥10次，體積密度≤1．3g/cm3，常溫耐壓強度≥4MPa，耐火度≥1750℃。 再如，俄羅斯專家開發(fā)出一種新型多孔陶瓷材料，用該材料制成的壓力變換器可以大大提高醫(yī)用便攜式超聲診斷儀的診斷精度。 超聲診斷儀的診斷精度主要取決于其"心臟"部件：壓力變換器的工作性能。壓力變換器由多孔材料制成，材料內(nèi)部小孔的大小、形狀和分布狀況會影響壓力變換器的超聲測量效果。俄羅斯國立羅斯托夫大學研究人員利用專門的數(shù)學方法計算出小孔的最佳大小、形狀和分布狀況，并利用他們自己開發(fā)出的材料合成技術，向鋯鈦酸鉛溶液中充入氣泡，從而得到了理想的用來制造壓力變換器的多孔陶瓷材料。 實驗證明，利用這種陶瓷材料制成的壓力變換器，可以使便攜式超聲診斷儀的診斷精度達到與龐大而昂貴的臺式診斷儀精度相近的效果。 從這三個例子中，讀者可以體會到多孔陶瓷孔結構的妙用。還有更多的實例將在各個相應的章節(jié)中介紹。 本書共分十章：前四章系統(tǒng)地介紹了多孔陶瓷的概念、各種類別、制備技術、性能測試、孔結構表征；后六章分別較全面地介紹了多孔吸聲隔音陶瓷、絕熱和超絕熱多孔陶瓷、多孔陶瓷載體、多孔過濾陶瓷、生物多孔陶瓷、多孔陶瓷傳感器。全書著重介紹了各種實用技術特別是制備技術。 在本書中關于孔的描述有孔隙、氣孔、孔洞、孔穴、細孔、微孔、宏孔、大孔等。這些詞匯基本含義都相同，是指相對于多孔陶瓷中的固相而言，包含在材料中的氣相。它們也有差別，這些差別很容易根據(jù)詞匯本身理解，相信讀者可以根據(jù)不同的文獻語境體會到其中的區(qū)別。本書盡可能地保留了所引用文獻的提法。 本書雖然想盡可能地全面介紹多孔陶瓷，然而由于多孔陶瓷應用范圍廣泛，限于篇幅本書不可能面面俱到。如目前已經(jīng)應用非常普遍的多孔陶瓷膜，因這方面的書籍已經(jīng)很多，所以在本書中沒有進行全面介紹，只是在多孔過濾陶瓷中涉及到一些。同樣，多孔陶瓷分子篩也有專門的書籍介紹，本書基本沒有涉及。此外，多孔陶瓷用作蓄熱材料、換熱材料、多孔陶瓷輻射板、儲氫材料、電化學膜以及與其他材料的復合多孔材料等等，他們的性能、制備方法等限于篇幅，本書也不再詳細介紹。如果以后有機會的話再整理出來介紹給大家。 在編著本書的過程中，參閱了國內(nèi)外幾百篇學術論文、書籍、公開的專利以及網(wǎng)上的資料，在此謹向這些作者表示衷心的感謝。另外，非常感謝郝旭君、陳百遠、王安根、張凱、何海峰、張山川、支楠、常偉等同學，他們分別參與了多孔陶瓷傳感器，、多孔吸聲隔音陶瓷、多孔陶瓷孔結構的表征、多孔陶瓷的性能、絕熱及超絕熱多孔陶瓷、多孔生物陶瓷、多孔過濾陶瓷、多孔陶瓷載體等部分的編寫工作。 多孔陶瓷的廣泛應用涉及的知識面相當寬廣，不僅僅需要材料方面的知識，還需要諸如生物醫(yī)學、無機和有機化學、流體力學、食品學、電子電工學等方面的相關知識。作者在試圖全面、系統(tǒng)地介紹多孔陶瓷時不免要涉足自己不熟悉的專業(yè)領域，限于自身的知識面和學識水平，其中不妥之處在所難免，還望各位讀者批評指正。 作者 2005年10月

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