多孔陶瓷實用技術(shù)

　　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(xué)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(jié)構(gòu)而具有的性能，如密度小、質(zhì)量輕、比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)小等等。由于其具有獨(dú)特的化學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等方面的性能，多孔陶瓷已經(jīng)成為一類具有巨大應(yīng)用潛力的材料。目前的應(yīng)用領(lǐng)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(xué)、原子能、電化學(xué)等領(lǐng)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(yīng)用產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)的"妙處"。以下這些應(yīng)用從不同的角度利用多孔陶瓷的孔結(jié)構(gòu)，所起到的作用有些出人意料。 如：由無機(jī)鹽和陶瓷基構(gòu)成的顯熱／潛熱復(fù)合儲能材料（Composite Energy Storage Materials，即CESM），具有多孔結(jié)構(gòu)，無機(jī)鹽分布在陶瓷基體超微多孔網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)溫度高于無機(jī)鹽的熔點時，無機(jī)鹽熔化而吸收潛熱，但因毛細(xì)張力而不流出。由CESM構(gòu)成的儲熱系統(tǒng)，可同時利用熔鹽的潛熱和陶瓷與無機(jī)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(dāng)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(fù)正受到高度關(guān)注。在一些發(fā)達(dá)國家，應(yīng)用修補(bǔ)機(jī)對高速公路進(jìn)行修補(bǔ)的修復(fù)技術(shù)已相當(dāng)成熟，機(jī)械化、自動化的操作，既快速，又經(jīng)濟(jì)、實效，且修復(fù)后的修補(bǔ)面和原來的路面結(jié)合緊密，表面平整一致（這是國內(nèi)傳統(tǒng)的修補(bǔ)技術(shù)所無法比擬的），而這一切都離不開修補(bǔ)機(jī)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?xì)怏w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(bǔ)面，這樣修補(bǔ)的路面非常平整。 為了能夠達(dá)到高速公路修補(bǔ)機(jī)施工技術(shù)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?xì)怏w能夠進(jìn)入制品內(nèi)部，并能在其內(nèi)部燃燒，以達(dá)到通過加熱制品，使熱量輻射到地面來達(dá)到烘烤的目的。若透氣量過小，則可燃?xì)怏w進(jìn)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(shè)備的移動。 （4）要有足夠的強(qiáng)度，以抵抗機(jī)械力的作用。 對加熱磚的性能指標(biāo)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(qiáng)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(xué)研究人員利用專門的數(shù)學(xué)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(shù)，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(dá)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(jié)構(gòu)的妙用。還有更多的實例將在各個相應(yīng)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(shù)、性能測試、孔結(jié)構(gòu)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(shù)特別是制備技術(shù)。 在本書中關(guān)于孔的描述有孔隙、氣孔、孔洞、孔穴、細(xì)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(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(xué)膜以及與其他材料的復(fù)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(xì)介紹。如果以后有機(jī)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(xué)術(shù)論文、書籍、公開的專利以及網(wǎng)上的資料，在此謹(jǐn)向這些作者表示衷心的感謝。另外，非常感謝郝旭君、陳百遠(yuǎn)、王安根、張凱、何海峰、張山川、支楠、常偉等同學(xué)，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(jié)構(gòu)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(yīng)用涉及的知識面相當(dāng)寬廣，不僅僅需要材料方面的知識，還需要諸如生物醫(yī)學(xué)、無機(jī)和有機(jī)化學(xué)、流體力學(xué)、食品學(xué)、電子電工學(xué)等方面的相關(guān)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(lǐng)域，限于自身的知識面和學(xué)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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