第25卷第8期 陈以心,等:多孔SC陶瓷的研究进展 2.1颗粒堆积烧结法 多孔陶瓷应用最广泛的技术之一。其工艺流程包括 颗粒堆积烧结法是最为简单的制备多孔SiC陶瓷如下步骤:1)将浆料注入有机泡沫:2)去除多余浆 的方法。该法的原理是利用陶瓷颗粒自身的烧结性能,料;3)干燥:4)去除有机泡沫:5)烧结。其中关键 在不同的SiC颗粒间形成烧结颈,从而使得颗粒堆积工艺过程主要包括:1)有机泡沫体的选择和预处理 体形成多孔陶瓷。为了降低烧结温度,通常添加一定2)陶瓷浆料的制备:3)浆料的浸渍及多余浆料的去 量熔点较低的粘结剂使不同SC颗粒之间形成连接。除:4)坯体的干燥与烧结 制备过程如图2(a)所示。 通过有机泡沫浸渍法制备的多孔SiC陶瓷通常具 由于颗粒堆积烧结法中所有的孔隙都是由SiC颗有网格状结构,因而具有较高的孔率(见表1)。朱新文 粒之间的堆积间隙转变而来的,因此,通过改变粉末等在SiC粉末中加入氧化铝(Al2O3)细粉作为助烧 尺寸、粘结剂种类及添加量和烧结参数,可以控制多剂,羧甲基纤维素(CMC)作为浆料稳定剂,硅溶胶作 孔陶瓷成品的孔率和孔径。李俊峰等0使用一定比例为粘结剂,浆料使用机械搅拌混合均匀后注入软质聚 的高岭土、长石和二氧化硅作为粘结剂,研究了成形氨酯海绵。该法制备的网状多孔SiC陶瓷的孔率达 压力及粘结剂添加量对多孔SiC陶瓷孔隙性质和力学79%,弯曲强度为25MPa。利用有机泡沫浸渍法制备 性能的影响。黎阳等山使用聚碳硅烷(PCS)作为添加多孔SiC陶瓷的主要缺点是强度较低,其原因是网状 剂,通过加热使PCS裂解从而对SC颗粒产生粘结作结构的陶瓷坯体在有机物加热分解的过程中容易受损 用,研究了PCS添加量与多孔SiC陶瓷的微观形貌、进而变为缺陷,降低多孔SC陶瓷的强度。为了提 孔率和力学性能的关系。 高该方法制备陶瓷成品的强度,ZHU等采用二次挂 浆工艺增加网状多孔SC陶瓷的孔筋厚度。这种工艺 22模板法 分为如下两个步骤:首先将聚氨酯海绵浸入较浓稠的 模板法是将陶瓷浆料或前驱物注入具有多孔结构浆料,挂浆后在一定温度下进行预烧结,使坯体获得 的模板材料,随后通过一系列的处理便可得到与模板足够的强度;其次采用较稀的浆料对坯体进行浸渗。 材料结构相似的多孔陶瓷。同时,模板法也是第一种通过二次挂浆工艺制备的网状多孔Si陶瓷的强度得 用于制备多孔陶瓷的生产工艺,其制备过程如图到明显提升。传统有机泡沫浸渍工艺与二次挂浆工 2(b所示。根据模板材料的不同,模板法可分为2类:艺制备的多孔SC陶瓷孔隙形貌对比如图3所示时 种是使用人工合成材料,如人造海绵作为模板,通此外,其他提高有机泡沫浸渍制备多孔SiC陶瓷强度 常被称为有机泡沫浸渍法;另一种是使用自然生物作的手段包括改善浆料与有机泡沫的浸润性、向浆料中 为模板材料的生物炭模板法。 加入纤维或可反应物12。 22.1有机泡沫浸渍法 222生物模板法 SCHWARTZWALDER等围最早利用有机泡沫作 生物材料中的微观孔隙结构与人工合成材料中的 为模板,通过浸渍的方式制备多孔陶瓷材料。通过该孔隙结构存在很大差异,由于其独特的结构,以生物 法可以制备各种不同孔隙率、孔隙尺寸和化学成分的体作为模板并制备出与其结构相似的多孔陶瓷材料受 多孔陶瓷材料,同时还具有工艺简单、操作方便、制到了普遍关注。图4所示为该方法的工艺流程23 备成本低等优点。因此,有机泡沫浸渍法已成为制备 VOGLI等选用松木作为原料,将其置于惰性气 3 图3传统有机泡沫浸渍工艺与二次挂浆工艺制备的网状多孔SC陶瓷的宏观形貌 Fig 3 Macrostructures of SiC porous ceramics fabricated via conventional coating process(a)and improved technique(b)第 25 卷第 8 期 陈以心，等：多孔 SiC 陶瓷的研究进展 2149 2.1 颗粒堆积烧结法 颗粒堆积烧结法是最为简单的制备多孔 SiC 陶瓷 的方法。该法的原理是利用陶瓷颗粒自身的烧结性能， 在不同的 SiC 颗粒间形成烧结颈，从而使得颗粒堆积 体形成多孔陶瓷。为了降低烧结温度，通常添加一定 量熔点较低的粘结剂使不同 SiC 颗粒之间形成连接。 制备过程如图 2(a)所示。 由于颗粒堆积烧结法中所有的孔隙都是由 SiC 颗 粒之间的堆积间隙转变而来的，因此，通过改变粉末 尺寸、粘结剂种类及添加量和烧结参数，可以控制多 孔陶瓷成品的孔率和孔径。李俊峰等[10]使用一定比例 的高岭土、长石和二氧化硅作为粘结剂，研究了成形 压力及粘结剂添加量对多孔 SiC 陶瓷孔隙性质和力学 性能的影响。黎阳等[11]使用聚碳硅烷(PCS)作为添加 剂，通过加热使 PCS 裂解从而对 SiC 颗粒产生粘结作 用，研究了 PCS 添加量与多孔 SiC 陶瓷的微观形貌、 孔率和力学性能的关系。 2.2 模板法 模板法是将陶瓷浆料或前驱物注入具有多孔结构 的模板材料，随后通过一系列的处理便可得到与模板 材料结构相似的多孔陶瓷。同时，模板法也是第一种 用于制备多孔陶瓷的生产工艺[32]，其制备过程如图 2(b)所示。根据模板材料的不同，模板法可分为 2 类： 一种是使用人工合成材料，如人造海绵作为模板，通 常被称为有机泡沫浸渍法；另一种是使用自然生物作 为模板材料的生物炭模板法。 2.2.1 有机泡沫浸渍法 SCHWARTZWALDER 等[33]最早利用有机泡沫作 为模板，通过浸渍的方式制备多孔陶瓷材料。通过该 法可以制备各种不同孔隙率、孔隙尺寸和化学成分的 多孔陶瓷材料，同时还具有工艺简单、操作方便、制 备成本低等优点。因此，有机泡沫浸渍法已成为制备 多孔陶瓷应用最广泛的技术之一[1]。其工艺流程包括 如下步骤：1) 将浆料注入有机泡沫；2) 去除多余浆 料；3) 干燥；4) 去除有机泡沫；5) 烧结。其中关键 工艺过程主要包括：1) 有机泡沫体的选择和预处理； 2) 陶瓷浆料的制备；3) 浆料的浸渍及多余浆料的去 除；4) 坯体的干燥与烧结。 通过有机泡沫浸渍法制备的多孔 SiC 陶瓷通常具 有网格状结构，因而具有较高的孔率(见表 1)。朱新文 等[23]在 SiC 粉末中加入氧化铝(Al2O3)细粉作为助烧 剂，羧甲基纤维素(CMC)作为浆料稳定剂，硅溶胶作 为粘结剂，浆料使用机械搅拌混合均匀后注入软质聚 氨酯海绵。该法制备的网状多孔 SiC 陶瓷的孔率达 79%，弯曲强度为 2.5 MPa。利用有机泡沫浸渍法制备 多孔 SiC 陶瓷的主要缺点是强度较低，其原因是网状 结构的陶瓷坯体在有机物加热分解的过程中容易受损 进而变为缺陷，降低多孔 SiC 陶瓷的强度[34]。为了提 高该方法制备陶瓷成品的强度，ZHU 等[35]采用二次挂 浆工艺增加网状多孔 SiC 陶瓷的孔筋厚度。这种工艺 分为如下两个步骤：首先将聚氨酯海绵浸入较浓稠的 浆料，挂浆后在一定温度下进行预烧结，使坯体获得 足够的强度；其次采用较稀的浆料对坯体进行浸渗。 通过二次挂浆工艺制备的网状多孔 SiC 陶瓷的强度得 到明显提升[35]。传统有机泡沫浸渍工艺与二次挂浆工 艺制备的多孔 SiC 陶瓷孔隙形貌对比如图 3 所示[35]。 此外，其他提高有机泡沫浸渍制备多孔 SiC 陶瓷强度 的手段包括改善浆料与有机泡沫的浸润性、向浆料中 加入纤维或可反应物[32]。 2.2.2 生物模板法 生物材料中的微观孔隙结构与人工合成材料中的 孔隙结构存在很大差异，由于其独特的结构，以生物 体作为模板并制备出与其结构相似的多孔陶瓷材料受 到了普遍关注[36]。图 4 所示为该方法的工艺流程[32, 37]。 VOGLI 等[38]选用松木作为原料，将其置于惰性气 图 3 传统有机泡沫浸渍工艺与二次挂浆工艺制备的网状多孔 SiC 陶瓷的宏观形貌[35] Fig. 3 Macrostructures of SiC porous ceramics fabricated via conventional coating process (a) and improved technique(b)[35]