出品：科普中國(guó)

作者：李可為（中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

提到陶瓷材料，想必大家都不陌生，陶瓷業(yè)是最早的工業(yè)之一，早在公元前24000年前，最早的陶瓷工業(yè)就誕生了。最初的時(shí)候，人們發(fā)現(xiàn)將粘土和水混合后可以燒結(jié)制作成各種形狀的物品，這就是陶瓷的前身，隨著燒制工藝的發(fā)展和進(jìn)步，陶瓷也慢慢成為人類生活和生產(chǎn)中不可缺少的一種材料。

隨著陶瓷制備工藝的傳承和延續(xù)，陶瓷制品也逐漸由粗糙走向精細(xì)，燒結(jié)條件由低溫發(fā)展到高溫，同時(shí)而來(lái)的，是陶瓷的家族的進(jìn)一步擴(kuò)充和完善。在如今的材料體系中，除了有機(jī)材料和金屬材料以外的所有其他材料，即無(wú)機(jī)非金屬材料都被統(tǒng)稱為陶瓷材料。

陶瓷材料也有很多種，多孔陶瓷是其中一種

陶瓷材料按照功能分類可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。由于陶瓷材料是一類由無(wú)機(jī)非金屬材料經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)而成的固體材料，因此它通常具有高熔點(diǎn)、高硬度、和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

當(dāng)我們需要發(fā)揮材料的機(jī)械、熱、化學(xué)性能時(shí)，就要用到結(jié)構(gòu)陶瓷了，結(jié)構(gòu)陶瓷在航空航天領(lǐng)域可是香餑餑，在飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上，以及高速飛行器鼻錐、機(jī)翼前緣等關(guān)鍵部分，都能看到它的身影。

功能陶瓷則是利用其對(duì)電、光、磁、聲、熱等物理性質(zhì)所具有的特殊功能而制造出的陶瓷材料，它的家族同樣龐大，比如用于無(wú)線電器件和電路元件的絕緣陶瓷與介電陶瓷，用在傳感器上的壓電陶瓷和透明陶瓷等，雖不起眼，但卻于無(wú)聲處聽(tīng)驚雷。

發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件（左）和透明功能陶瓷材料（右）

（圖片來(lái)源：復(fù)材網(wǎng)）

很多時(shí)候，一提到陶瓷材料，我們首先想到的就是厚重和堅(jiān)固，這是由于常見(jiàn)到的這些陶瓷材料都是十分致密的。然而在陶瓷材料的大家庭里，多孔陶瓷以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，慢慢走進(jìn)了大家的視線。

所謂多孔陶瓷，顧名思義就是一種具有大量微小孔隙的陶瓷材料。這些孔隙可以是封閉的，也可以是相互連通的，它們賦予了多孔陶瓷一系列獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。多孔陶瓷的孔隙率通常在10%到90%之間，孔徑可以從納米級(jí)到微米級(jí)不等。

多孔氧化物陶瓷

（圖片來(lái)源：中國(guó)粉體網(wǎng)）

多孔陶瓷的應(yīng)用開(kāi)始于十九世紀(jì)后期，在其制備過(guò)程中，通過(guò)調(diào)控不同的制作參數(shù)和條件，可以使其內(nèi)部產(chǎn)生不同數(shù)量、不同尺寸、不同形狀的孔隙，這些孔隙可以是微觀的或宏觀的，形態(tài)各異，從而產(chǎn)生特有的多孔結(jié)構(gòu)。

它不僅有普通陶瓷材料高化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，而且由于其具有較大的表面積和空隙結(jié)構(gòu)，多孔陶瓷具有輕質(zhì)、吸附性能好、隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，這讓它在環(huán)保、能源、化工、制藥、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域都能有廣泛的應(yīng)用。

多孔陶瓷上的孔是如何形成的？

根據(jù)制備工藝的復(fù)雜程度及所制備多孔陶瓷孔隙率的大小，多孔陶瓷的制備方法通常可以分為部分燒結(jié)法、復(fù)制模板法、犧牲模板法和直接發(fā)泡法等。

多孔陶瓷制備工藝示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

部分燒結(jié)法是目前制備多孔陶瓷材料較常用的方法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將陶瓷顆粒或陶瓷纖維壓制成坯體，然后在高溫條件下進(jìn)行燒結(jié)，使顆粒或纖維之間形成結(jié)合，同時(shí)，粉末顆粒由于表面擴(kuò)散或蒸發(fā)冷凝而黏結(jié),在完全致密之前結(jié)束燒結(jié)而在陶瓷中形成均勻的多孔結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變起始粉體的粒徑和部分燒結(jié)程序，即可改變多孔陶瓷的孔隙大小和孔隙率。采用這種方法制備的陶瓷材料，其中晶粒的間燒結(jié)頸、孔隙率及孔徑的大小會(huì)直接影響其性能。

犧牲模板法又叫添加造孔劑法，成本低廉，操作便捷是它的主要優(yōu)勢(shì)。其原理就是在陶瓷漿料中加入一定量的造孔劑，在燒結(jié)過(guò)程中造孔劑受熱分解成為氣體，形成孔隙。這種方法雖然工藝簡(jiǎn)單，但難以控制氣孔分布，會(huì)導(dǎo)致成品均勻性較差。

復(fù)制模板法從字面看來(lái)，就是復(fù)制其他材料的模板，來(lái)制備具有高體積孔隙率和開(kāi)孔壁的多孔陶瓷。以海綿為例,首先用陶瓷懸浮液、前驅(qū)體溶液等來(lái)浸漬模板,剩余部分通過(guò)離心等方式排出。待陶瓷浸漬模板干燥,再進(jìn)行熱處理，使有機(jī)海綿分解,最后將陶瓷層在高溫下致密化,這些開(kāi)放式單元相互連接,使得流體能夠以相對(duì)較低的壓降通過(guò)多孔陶瓷。這種方法可制得孔隙率高、強(qiáng)度高、密度低的多孔陶瓷，但難以制備小孔徑閉孔陶瓷，且孔的形狀會(huì)受模板限制。

直接發(fā)泡法是先穩(wěn)定并干燥陶瓷懸浮液,隨后進(jìn)行燒結(jié)以獲得固結(jié)結(jié)構(gòu)。其優(yōu)勢(shì)就在于制備出的材料孔徑結(jié)構(gòu)強(qiáng)且缺陷少。通過(guò)機(jī)械攪拌或添加發(fā)泡劑等方式將氣體引入到懸浮液中，形成細(xì)密且穩(wěn)定的泡沫，然后干燥和燒結(jié)得到多孔陶瓷。這種方法易于工業(yè)化生產(chǎn)，可以制備開(kāi)孔或閉孔結(jié)構(gòu)、高氣孔率的多孔陶瓷。因此，穩(wěn)定陶瓷懸浮液中的氣泡至關(guān)重要。目前最常用的穩(wěn)定方法是通過(guò)添加表面活性劑,來(lái)降低氣液界面的能量，從而在一定程度上對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行控制。

多孔陶瓷性能優(yōu)越，在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

既然是多孔材料，我們自然而然可以想象出，其質(zhì)量會(huì)比一般的陶瓷材料更輕，而其內(nèi)部引入的大量孔隙結(jié)構(gòu)，聲波或者熱量傳導(dǎo)進(jìn)去陶瓷內(nèi)部以后，其多孔結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)能量進(jìn)行分散，從而達(dá)到吸音隔熱的目的。由于多孔陶瓷兼具陶瓷材料的優(yōu)良機(jī)械性能和吸音隔熱性能，這就使其能在高層建筑、隧道、影院等有較高隔音要求的場(chǎng)所大展身手。

多孔陶瓷中的熱傳遞示意圖：

(a)隨機(jī)排列的多孔微觀結(jié)構(gòu)，和(b)垂直于熱流的封閉通道

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

材料內(nèi)部充滿孔隙，多孔陶瓷就擁有了相當(dāng)大的表面積，這就為其進(jìn)行氣體吸附、催化提供了天然優(yōu)勢(shì)，由于陶瓷材料本身的耐高溫特點(diǎn)，這使得它在高溫廢氣凈化器、污水處理裝置上的應(yīng)用更加得心應(yīng)手。比如柴油機(jī)排出的黑煙，它不僅可以對(duì)氣體進(jìn)行過(guò)濾，還能經(jīng)過(guò)催化，將其中的CO, NOX, CnHm等氣體轉(zhuǎn)化為無(wú)毒害的CO2, N2和H2O等，為我們的環(huán)保添磚加瓦。[3]

不僅如此，在傳統(tǒng)生物陶瓷基礎(chǔ)上研發(fā)的多孔生物陶瓷，例如人工骨骼、人工關(guān)節(jié)等。網(wǎng)眼型多孔陶瓷與人體的海綿骨具有近乎相同的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能使骨組織長(zhǎng)入孔隙中, 使種植體與生物體之間產(chǎn)生更為牢靠的固定。它比大部分金屬材料有著更好的生物相容性和更穩(wěn)定的理化性能，且無(wú)毒副作用，這為需要骨移植的患者提供了優(yōu)良的替代品。近些年來(lái)，多孔生物陶瓷也成為了無(wú)機(jī)生物材料研究中的熱點(diǎn)。[3,4]

多孔陶瓷吸聲板(a)，陶瓷載體汽車(chē)尾氣凈化器(b), 氧化鋯陶瓷義牙(c)，及多孔陶瓷進(jìn)行骨修復(fù)(d)

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)5, 6及3D ScienceValley）

多孔陶瓷的強(qiáng)大遠(yuǎn)不止如此，其內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，是一種天然的絕緣體，可以用作一種電磁波屏蔽材料。此外，由于它良好的穩(wěn)定性和耐久性，已經(jīng)作為微機(jī)電系統(tǒng)得到了很好的應(yīng)用。它可以穿戴在身體上，甚至是手腕和鞋底，作為傳感器來(lái)檢測(cè)人類活動(dòng)，從而更好的為人們服務(wù)。[7]

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，多孔陶瓷材料的制備工藝和性能也在穩(wěn)步前進(jìn)，其發(fā)展方興未艾。在未來(lái)，人們通過(guò)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和孔隙尺寸的精確控制，具有更加復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)和理想孔隙率的多孔陶瓷材料會(huì)被更多的開(kāi)發(fā)出來(lái)，同時(shí)它的應(yīng)用也會(huì)更加經(jīng)濟(jì)、高效和長(zhǎng)期可靠。其優(yōu)異的性能一定會(huì)在我們生活的各個(gè)角落發(fā)光發(fā)熱。多孔陶瓷，大有可為！

參考文獻(xiàn)：

[1] 多孔陶瓷的制備方法及研究現(xiàn)狀

[2] Hammel E C, Ighodaro O L R, Okoli O I. Processing and properties of advanced porous ceramics: An application based review[J]. Ceramics International, 2014, 40(10): 15351-15370.

[3] 多孔陶瓷材料的八大應(yīng)用淺析

[4] 朱新文,江東亮,譚壽洪.多孔陶瓷的制備,性能及應(yīng)用:(Ⅱ)多孔陶瓷的結(jié)構(gòu),性能及應(yīng)用[J].陶瓷學(xué)報(bào), 2003, 024(002):85-91.

[5] 多孔吸聲陶瓷：隔音降噪領(lǐng)域的新型材料

[6] 多孔陶瓷的制備工藝及應(yīng)用總結(jié)

[7] Chen Y, Wang N, Ola O, et al. Porous ceramics: Light in weight but heavy in energy and environment technologies[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2021, 143: 100589.

來(lái)源: 中國(guó)科普博覽

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