陶瓷泡沫 - 加工和应用作为过滤器，互穿复合材料和生物医学材料亚博网站下载

主题

背景

陶瓷泡沫制造

柴油颗粒过滤器

穿插的复合材料

生物医学应用

背景

由各种陶瓷材料制成的陶瓷泡沫，包括氧化物和非氧化物，正被考虑用于一系列潜在的应用。亚博网站下载其中包括热气体过滤器，互穿复合材料和生物医学应用，以及保温，窑具和催化剂支持等。下面简要描述其中的三个以及一个基于凝胶铸造的新加工路线。

陶瓷泡沫制造

制造陶瓷泡沫的方法，该方法由Hi-Por Ceramics采用了一个专门为此目的创建的新公司提供的全部商业地位，由图1中的流程图给出。稳定，分散，高固体含量，制备含水陶瓷悬浮液，其还与引发剂和催化剂掺入丙烯酸酯单体。后者用于提供原位聚合。在进一步加入发泡剂之后，使用高剪切混合器来提供简单的机械搅拌，从而导致形成可以干燥然后烧制的湿陶瓷泡沫。

它的一个优点是原位聚合方法是在加入试剂和实际聚合反应开始之间观察一段不活跃期。这被称为诱导期或空闲时间(t_一世）.诱导期是有益的，因为它允许在聚合和控制孔隙尺寸之前将流体泡沫铸造到模具中。

使用这种新工艺生产了大量的陶瓷材料作为泡沫。亚博网站下载虽然大多数的工作集中在工程陶瓷氧化物，材料如氧化铝，堇青石，莫来石和氧化锆，大量其他陶瓷可以发泡。亚博网站下载这些材料包括生物陶瓷羟基磷灰石、电陶瓷锆钛酸铅(PZT)、低热膨胀磷酸锆钠(NZP)，以及最近的非氧化物，如碳化硅和氮化铝。一般情况下，可生产理论密度5% ~ 40%的泡沫;图2是一个典型的显微图，显示了该结构。请注意孔壁和支柱是如何坚固和完全致密的;这提供了高强度和耐化学性。

虽然泡沫密度越低，细胞或孔径越大，但最近的研究允许实现更大程度的控制。现在可以用大约1mm的细胞和长达30％的细胞生产的泡沫，而20％致密的泡沫，则用细胞小于20-50μm。

由工程陶瓷如氧化铝制成的泡沫具有较高的强度，可达80 MPa的抗压强度和25 MPa的断裂模量。隔热效果几乎与纤维产品一样好，同时也提供了一个完全纤维和无尘的工作环境。使用氧化锆时，使用温度可高达2000°C。还可以提供各种形状的组件。生产路线本身本质上是一个铸造过程，因此瓷砖，管和一系列其他定制形状都可以很容易地生产。此外，绿色泡沫和燃烧泡沫都可以很容易地被机械加工、钻孔、旋转和开缝，从而产生一些非常复杂的形状。此外，在一个或多个表面上涂一层致密涂料是一个简单的过程，既可以消除渗透性，也可以增加表层的机械性能。一个可以利用这一点的应用是生产超低质量的陶瓷坩埚。这可以显著降低其内容物加工过程中需要加热的热质量，从而提高能源效率。

应用程序

柴油Particu晚期过滤器

柴油微粒过滤器(DPF)是一种用于去除柴油发动机废气中的碳微粒的装置。有两个主要的，虽然相互冲突的因素，决定着一个特定的过滤介质的适用性。首先，过滤效率必须足够高，以保证其使用，但其次，它必须足够多孔，以保持发动机的低背压。这种新型的陶瓷泡沫具有一种结构，可以使气体曲折地流过它们，这一特点提供了高过滤效率，高达~90%，同时背压足够低，只要泡沫的密度保持低，如图3所示。研究这些泡沫在DPFs中的使用的博士生几乎已经完成。它还利用一种创新技术来破坏碳颗粒，因为它们被困在结构中，导致一个“无陷阱”，即没有碳积累，因此不需要周期性的再生循环。还设想了其他的热气体过滤应用。

穿插的复合材料

穿插的复合材料是一种新型的复合结构，其中有两种不同的相的互穿基体，在这种情况下，陶瓷与金属或聚合物。它们也被称为3-3复合材料，其中的数字是指每个相连续的维度数。正是泡沫的开放多孔结构使得它们在低压下相对容易被熔融金属(如铝或镁)或任何数量的聚合物材料通过一个简单的低压系统渗透。亚博网站下载结果可以在图4中看到，图4显示了这种复合材料的结构，这种复合材料是通过向氧化铝陶瓷泡沫中渗透铝合金而产生的。可以清楚地观察到没有任何孔隙，两相之间的润湿程度也是如此。

对于大量氧化物，混合氧化物和非氧化物陶瓷存在的可能性存在于诸多金属合金和聚合物材料的渗透，用于从耐磨汽车部件和装甲通过声纳的应用亚博网站下载

生物医学应用

骨替代品和可吸收植入物可以产生羟基磷灰石和其他磷酸钙变体用作陶瓷相。这些泡沫具有很好的维持和促进人体细胞生长的能力;100-200 μm的孔径允许成骨细胞在孔隙上生长并进入孔隙，导致可以在孔隙内矿化的类骨质形成。加工条件导致孔壁上存在直径约1 μm的微孔，这对细胞的有效附着和长入很重要，微孔和大孔都影响细胞的形态和细胞的渗透程度，图5。在体外细胞毒性试验表明，生物级羟基磷灰石粉末的纯度不受所用试剂或工艺路线本身的影响。在迄今为止的所有测试中，HA泡沫在细胞生长、生物相容性和应用灵活性方面都优于竞争材料。亚博网站下载HA泡沫的可控互连孔隙度也为开发用于缓释治疗药物的植入物提供了巨大的潜力。Hi-Por目前正在研究的一种应用是将HA泡沫植入人工眼睛的后部。多孔结构允许肌肉在眼睛内生长，使它能像病人原来的眼睛一样移动。这提供了更大的现实主义，从而大大提高了美学效果。

羟基磷灰石还可与Al、Co、Cr、Fe、Ni和Pb等多种重金属离子进行离子交换，在适当的条件下，某些离子可从水溶液中100%脱除。因此，这些泡沫也可以用作污染水的过滤器。

主要作者:Jon Binner博士和Rod Sambrook先生

欲了解更多信息，请访问乔恩·克里丝。

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