泡沫碳化硅陶瓷材料的研究進展
泡沫陶瓷是一種具有均勻三維網狀結構的特殊多孔陶瓷，其孔道分布均勻、氣孔率高、相對密度小、比表面積大、對液體和氣體介質有選擇透過性，具有較好的能量吸收和阻壓特性以及優良的熱、電、磁、光、化學等功能。泡沫碳化硅陶瓷除了擁有多孔陶瓷的特性外，還具有碳化硅本身的耐高溫、抗氧化、耐酸鹼腐蝕、熱膨脹係數小、熱導率大、硬度高、抗熱震等優良性能以及半導體特性。目前，泡沫碳化硅陶瓷的應用已遍及冶金、化工、能源、電子、交通、機械、國防、環保、生物等多個領域。因此，泡沫碳化硅陶瓷的相關研究日益受到科學家與工程師們的廣泛關注。
圖一泡沫碳化硅陶瓷
一、泡沫碳化硅陶瓷的製備
目前普遍使用的泡沫碳化硅陶瓷的製備方法有：粉末燒結法、固相反應燒結法、含硅樹脂熱解法以及氣相沉積法。
1、粉末燒結法
粉末燒結法分為兩種：一種是將含有一定量燒結助劑的碳化硅粉與黏結劑（如硅酸乙酯水解液、硅溶膠等）調和成合適濃度的料漿，然後浸掛在聚氨酯泡沫上，固化乾燥後，在200～600℃範圍脫出黏結劑和聚氨酯泡沫。而後，將溫度升高到1500～2200℃進行燒結便得到泡沫狀的碳化硅陶瓷；另一種方法是將含燒結助劑的碳化硅粉與株狀發泡劑均勻混合後，用模壓或澆注方法成型。通過熔化或氣化脫出發泡劑，然後進行高溫燒結以獲得泡沫狀碳化硅陶瓷。
2、固相反應燒結法
固相反應燒結法是將株狀發泡劑與硅粉和碳粉均勻混合成型。通過熔化或氣化脫出發泡劑，經過高溫反應燒結後即獲得泡沫狀碳化硅陶瓷。
3、含硅樹脂法
含硅樹脂熱解法是將有機硅前體製成高分子凝膠，脫出凝膠中的有機溶劑後得到泡沫狀的含硅樹脂，經充分氧化後進行熱解即得到泡沫狀碳化硅陶瓷。其獨特之處在於它將製備好的漿料均勻地塗覆在具有三維網狀骨架特殊結構的有機泡沫網狀體上，燒掉有機泡沫後獲得的孔隙是網眼型的。其孔徑尺寸主要取決於有機泡沫體的孔徑尺寸與塗覆厚度。
4、氣相沉積法
氣相沉積法是利用化學氣相沉積法將碳化硅沉積到網狀碳纖維編織體上而獲得泡沫狀碳化硅陶瓷。將原料滲透沉積到編織好的碳纖維骨架或有機泡沫形成的網眼多孔碳骨架上，塗層的厚度為100～1000μm。通過控制沉積的速度和時間來控制陶瓷最終的結構和性能。
二、泡沫碳化硅陶瓷的特徵
泡沫碳化硅陶瓷連通的空間網狀結構、較高的氣孔率以及較好的透氣性能使其不論在單相或兩相逆流操作狀態下都具有較低的壓降。
泡沫碳化硅陶瓷材料具有較好的抗氧化特性，這與碳化硅的化學穩定性有密切關係。裸露在最外層的碳化硅很容易被氧化，生成的二氧化硅在材料外表面形成一層薄膜，能防止內部碳化硅被進一步氧化。
泡沫碳化硅陶瓷材料還具有微波吸收特性。利用有限元素法分析泡沫碳化硅、塊狀碳化硅和碳化硅顆粒的電磁波吸收特性發現，泡沫碳化硅吸收電磁波的能力遠高於後兩者。
泡沫碳化硅陶瓷材料的電阻率較低，通過改變製作工藝條件，可以從5×10-2?·cm 變化至5×104?·cm，這是其它泡沫陶瓷所沒有的特性。
泡沫碳化硅陶瓷材料的成型加工性能也較好，金剛石刀具可方便地將其切斷，需要研磨時可用金剛砂輪。通過改變加工條件可以簡單地將泡沫碳化硅陶瓷加工成所需要的形狀。泡沫碳化硅陶瓷還可與金屬可靠連接，使其應用更加便捷。總之，泡沫碳化硅陶瓷的原料來源廣泛，製備成本低，比金屬材料的製備過程更為環保，節能減排方面具有很大優勢，所以其具有較好的技術經濟性。
三、泡沫碳化硅陶瓷的應用
隨著泡沫碳化硅製備工藝技術的不斷改進與創新，優越的性能將使其應用範圍逐漸擴大、樣式更加多元化。在許多應用領域，泡沫碳化硅陶瓷材料日益展現出其它材料所無法比擬的優越性。
1、催化劑載體
泡沫碳化硅陶瓷具有較高的孔隙率、熱導率和機械強度、抗氧化、耐腐蝕等優勢，其表面凹凸不平，且具有眾多微孔，這種特殊網路結構大大增加了兩相接觸面積，所有這些特性預示著泡沫碳化硅陶瓷將代替傳統的二氧化硅、氧化鋁陶瓷以及活性炭作為新一代的催化劑載體。
2、過濾器
泡沫陶瓷過濾技術是一種能夠去除合金中非金屬夾雜物，凈化金屬溶液的新技術。泡沫碳化硅陶瓷在這一領域的應用使金屬的合格率和力學性能都有較大程度的提升。因此，在鑄造行業推廣泡沫碳化硅在凈化金屬溶液領域的應用可望得到顯著的經濟效益和社會效益。泡沫陶瓷載體是目前國際上普遍採用的尾氣凈化器載體材料。泡沫碳化硅陶瓷因具有開孔率大、透氣性好、比表面積大、抗熱震性能高和可控的電阻率等特點已經成功應用到汽車尾氣凈化器中。
圖二泡沫碳化硅應用於過濾器
3、化工領域的應用
1、泡沫結構填料
具有發達比表面積、較低阻力損失的泡沫碳化硅陶瓷材料還可應用於精餾塔中，與傳統填料相比，碳化硅陶瓷塊具有較低的壓降、較多的持液量、較好的傳質性能。
2、泡沫規整填料
與金屬板波紋填料相比，泡沫碳化硅規整填料的干、濕填料壓降較低、持液量較大，在不同噴淋密度下的泛點氣速較大，所以泡沫碳化硅填料的通量高，不易液泛。
3、其它應用
泡沫碳化硅陶瓷材料還可應用於化學工業爐中進行燃燒過程的強化，具體形式包括：蒸汽發生器、輻射燃燒器、高壓絕熱燃燒器等。它們因具有體積小、節約燃料、功率調節範圍廣、穩定燃燒範圍寬、污染物排放少等優點而日益受到社會各界的廣泛關注。泡沫碳化硅陶瓷的耐腐蝕性優良，可通電發熱，很適用於施工部門及半導體領域中腐蝕性流體的加熱。泡沫碳化硅陶瓷材料還可用於製作各類換熱器，由於其孔隙率高、壓降低、熱交換面積大以及特殊的空間網狀結構，可以大大提高傳熱係數。除此之外，泡沫碳化硅陶瓷還可應用於電子部件熱處理用材料、流動床底板、加濕器、沸水器、微生物載體等領域。
作者：穀雨
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