摘 要：采用有机泡沫浸渍法制备了氧化铝泡沫陶瓷，考察了工艺参数对泡沫陶瓷结构和性能的影响，研究了溶胶–凝胶法在泡沫陶瓷表面形成凝胶涂层的制备工艺。结果表明：对有机泡沫进行 15%NaOH 水溶液处理及 5%PVA 水溶液活化处理，采用离心挂浆工艺，制备了 3 种规格的的泡沫陶瓷，其孔尺寸范围为 0.8～1.2mm，孔筋尺寸为 0.1～0.25mm。泡沫陶瓷的抗压强度随 ppi 值(每英寸模板孔数)的增大而提高；二次挂浆有利于抗压强度的提高。泡沫陶瓷的抗热震性能随 ppi 值的减小而增加。采用负压浸胶工艺，可较好地在泡沫陶瓷表面形成 TiO2凝胶涂层。
关键词：泡沫陶瓷；氧化铝；溶胶–凝胶；涂层
泡沫陶瓷具有广泛的用途，如过滤、隔热等[1,2]。除此之外，也可作为陶瓷相用于制备三维贯通的双连续相陶瓷/金属复合材料[3]。这种复合材料通常采用浸渗方法制备[4]。浸渗需要两相间具有良好的润湿性。然而，陶瓷和金属之间润湿性通常较差，对此，可考虑在陶瓷表面形成可改善润湿性的涂层加以解决[5]。目前，在制备泡沫陶瓷的多种方法中，有机泡沫浸渍法作为一种有效的工艺方法，得到了广泛的研究和应用[6–7]，在有机泡沫体预处理[8]，浆料的配制[9]以及挂浆工艺[10]等方面均取得了进展，制备方法日趋成熟。另一方面，液相浸渗技术作为一个重要的工艺手段，在复合材料制备[3–4]、表面缺陷修复改性[11]以及调控陶瓷材料组成和特性[12]等方面得到广泛的研究和应用。影响浸渗效果的因素很多，如坯体孔形状、尺寸，液相的黏度及其对坯体的润湿性，外界压力等，但采用真空负压，有利于完全浸渗[12]。
制备双连续相陶瓷/金属复合材料，首先需考虑材料结构因素。泡沫陶瓷的气孔率、孔径尺寸等决定最终复合材料中陶瓷相的体积分数、弥散程度等，从而影响复合材料的性能。其次在材料制备方面，需在陶瓷体表面形成改善润湿性的涂层。在泡沫体表面形成涂层，要求采用的工艺方法有较高的深镀与均镀能力，保证在所有(孔)表面获得均匀的涂层。基于以上考虑，本研究采用有机泡沫浸渍法制备氧化铝泡沫陶瓷，考察工艺参数对泡沫陶瓷结构和性能的影响，研究在泡沫陶瓷表面形成凝胶涂层的制备工艺，为进一步研究制备双连续相陶瓷/金属复合材料提供实验基础。
1 实 验
采用有机泡沫浸渍法制备泡沫陶瓷。选用 3 种规格：25ppi、40ppi 和 60ppi (ppi，template pore per inch)的软质聚氨酯有机泡沫体作为前躯体，并对其进行去除网络间膜和表面活化的预处理。配制氧化铝浆料，其成分组成(质量比)为：75 氧化铝+10 氧化硅+7 高岭土+3 膨润土+5 滑石。将预处理过的有机泡沫浸入浆料中，待充分吸收后，放入离心甩浆机中去除多余浆料。将素坯干燥后可进行二次离心挂浆。将所得素坯干燥后在 1 550 ℃进行烧结。以钛酸丁酯为前驱体配制 TiO2溶胶，采用负压(10Pa)浸胶工艺进行涂覆。用 X 射线衍射仪测定泡沫陶瓷的相组成，用 CMT5104 型电子多功能材料试验机测定泡沫陶瓷的抗压强度，试样尺寸为 10 mm × 10mm × 15 mm。试样被加热至 1 000 ℃保温 1 h，取出放入室温水中冷却，用于测定泡沫陶瓷的抗热震性能。
2 结果与讨论
2.1 泡沫陶瓷的制备
2.1.1 有机泡沫体预处理 预处理包括去除有机
泡沫网络间膜和表面活化改性。采用 NaOH 水溶液浸渍有机泡沫体的方法去除网络间膜，溶液浓度和浸渍时间是影响处理效果的主要因素。溶液浓度过高，浸渍时间过长，会导致泡沫体弹性降低，甚至造成过度腐蚀；反之，则网络间膜不能被有效去除，达不到预处理的要求。本研究结果表明，在 15%的溶液，60 ℃条件下浸渍 2h，处理效果最佳。
表面活化改性的目的是在泡沫体表面形成亲水的涂层，以利于后续陶瓷浆料的涂挂。分别采用聚乙烯醇(PVA)水溶液和羧甲基纤维素(CMC)水溶液进行活化处理，结果如表 1 所示。实验结果显示，采用 CMC 水溶液进行活化处理不易控制，用 2%(质量分数，下同)的溶液处理后，涂挂不均匀，后期烧结时出现塌陷；而用 5%的溶液处理后，在挂浆、甩浆过程中，网络骨架易发生粘结。相比之下，用 5%PVA 水溶液处理效果比较理想和稳定。
2.1.2 浆料的涂挂 浆料具备良好的流动性是保证涂挂质量的首要因素，而保证良好流动性的前提是分散体系的稳定性。氧化铝悬浮液的分散稳定性与其 pH 值密切相关。在酸性介质中，氧化铝粉体表面吸附氢离子带正电，ζ 电位为正值；在碱性介质中，氧化铝粉体表面吸附氢氧根离子带负电，ζ电位为负值；当 pH 值为 9 时，氧化铝粉体表面呈电中性，ζ 电位为零。因此通常氧化铝粉体实现稳定分散的 pH 值范围为小于 2.6 或大于 10.6。本实验结果表明，pH 值为 11 时，浆料的粘度低，流动性好。
浆料中粉体的固含量是影响浆料流动性的另一个因素。显然，固含量越低，流动性越好。但固含量过低，在随后的素坯成型干燥过程中会因收缩过大而开裂，烧结过程中塌陷。然而，固含量过大，涂挂不均匀，多余浆料无法去除，烧成制品堵孔严重。本研究选用固含量在 70%～80%之间，结果如表 2 所示。
挂浆工艺对实现均匀涂挂至关重要。通常的挤(辊)压方法，由于挤压过程中变形的不均匀性，易致涂挂不均匀；相比之下，采用离心挂浆易实现涂覆层的均匀化[10]。本研究采用离心挂浆也取得了较好的效果。然而，对不同孔径的泡沫，采用不同的涂挂次数及相应地调整浆料的固含量，可获得更好的效果。
实验结果表明，对 ppi 值(40，60)较大的泡沫，采用固含量为 70%的浆料一次离心挂浆可获得较好的涂挂效果，二次挂浆则易造成堵孔；对 ppi 值(25)较小的泡沫，分别采用固含量为 70%和 40%的二次离心挂浆可获得理想的效果。
2.2 泡沫陶瓷的结构与组成
泡沫陶瓷的结构决定了双连续相陶瓷/金属复合材料中陶瓷相的体积分数与弥散程度，对复合材料的性能有重要影响。因此，对泡沫陶瓷的结构进行设计与控制是必要的。采用 25 ppi 泡沫，二次离心挂浆所制备的泡沫陶瓷，其孔结构如图 1 所示。显然，随 ppi 值的增加，孔、筋尺寸均相应减小，本实验范围内 ppi 值：25～60，孔尺寸为 0.8～1.2mm，孔筋尺寸为 0.1～0.25 mm。
经 1550 ℃烧结后，对烧成泡沫陶瓷进行物相测定。图 2 为 X 射线衍射(XRD)结果，可见组成以刚玉相为主，另有少量莫来石相。图 3 为组织的显微形貌，对板条状 (点 1)和块状(点 2)的能谱(EDS)分析结果如表 3 所示，结合 XRD 结果，可以认为，所制备的泡沫陶瓷组织为数量较少的板条状莫来石相填充在块状的刚玉相结构中。
2.3 泡沫陶瓷的抗压强度与抗热震性能
如表 4 所示，泡沫陶瓷的抗压强度随 ppi 值的增大而提高，二次离心挂浆有利于抗压强度的提高；泡沫陶瓷的抗热震性能随 ppi 值的降低而增加。随着 ppi 值的增大，泡沫陶瓷的孔筋长度越短，支撑强度越大，同时孔筋中出现裂纹的几率和密度降低，故其抗压强度相应增大。事实上，从孔筋断口的形貌观察可知(见图 4)，孔筋中存在由于有机泡沫体挥发而留下的孔隙缺陷，孔筋越长则缺陷尺寸越大。二次挂浆增加了孔筋直径，修复了一次挂浆残留的缺陷，因而有利于抗压强度的提高。
热震破坏是由于热应力造成的，而热应力与热震过程中温度梯度的大小有关。泡沫陶瓷具有三维网络骨架结构，在水中快速冷却时，随着孔径的增大，冷却水较快通过泡沫体，泡沫体中心降温较快，因而热应力小。尽管随孔径增大，相应地孔筋直径增大，孔筋内表温度梯度增大，热应力增大，但与前者竞争的结果，整体抗热震性能提高。
2.4 泡沫陶瓷表面凝胶涂层的形成
浸渗溶胶的过程对应着泡沫体中气体的排出过程以及溶胶被陶瓷表面吸附的过程，因此需要一定的浸胶时间。采用负压浸胶工艺，增强了气体排出能力，有利于浸渗。实验采用 10Pa、20min 的浸胶工艺，为确保凝胶层厚度，采用了 5 次浸渗。图 5 为涂覆后的泡沫陶瓷照片，图 6 为浸渗后泡沫陶瓷的微观形貌，可见在泡沫陶瓷孔筋交联处也实现了较好地涂覆。同时，由于浸胶较好地填充了骨架上细小的孔洞，陶瓷骨架变得更加光滑，表现出较好的缺陷修复作用。
3 结 论
1) 通过对有机泡沫进行 15%NaOH 水溶液处理及 5%PVA 水溶液活化处理，采用离心挂浆工艺，制备了 3 种规格的泡沫陶瓷，其孔尺寸范围为 0.8～1.2 mm，孔筋尺寸为 0.1～0.25 mm。
2) 泡沫陶瓷的抗压强度随 ppi 值的增大而提高；二次挂浆有利于抗压强度的提高。泡沫陶瓷的抗热震性能随 ppi 值的减小而增加。
3) 采用负压(10 Pa)、20 min，5 次浸渗工艺，可较好地在泡沫陶瓷表面形成 TiO2凝胶涂层。
参考文献略
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