隔音降噪领域的新型材料——多孔吸声陶瓷播报文章
转自瓷录Ceramats
噪声，即噪音，通常被定义为“凡是人们不需要的声音”。近年来，随着工业现代化的发展和汽车数量的增强，工业噪声、道路交通噪声、建筑施工噪声、家庭和社会噪声等严重影响了人们的日常生活。噪声控制问题逐渐引起了科学工作者和国家相关部门的密切关注。采用吸声材料进行吸音降噪处理在目前是一种有效的吸音降噪方法。
多孔陶瓷是一种新型含有气孔的陶瓷基复合材料，其制造始于20世纪70年代。因其透过性好、密度低、硬度高、比表面积大、热导率低、耐高温、耐腐蚀等优良特性，使其在过滤分离、化工催化载体、生物医用植入、保温、隔热、吸声阻尼、燃烧和和阻火等方面具有良好的应用。
1 多孔结构吸声材料种类
多孔吸声材料具有许多连续、微小的孔洞。根据惠更斯原理，当声音入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则传入多孔体内部，引起孔隙中空气的振动并于陶瓷筋络发生摩擦。由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而消耗掉。声波在刚性壁面反射后，经过材料回到其表面时，一部分声波透射到空气中，一部分又反射回材料内部，声波通过这种反复传播，使能量不断转换消耗，如此反复，从而达到吸声的效果。
目前多孔结构吸声材料通常分为三大类，即有机多孔吸声材料、无机多孔吸声材料和多孔金属吸声材料。
2 多孔吸声陶瓷的制备方法
1978年美国首次成功研制了多孔陶瓷材料，他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材料制成多孔陶瓷用于铝合金铸造中的过滤，可以显著提高铸件的质量，降低废品率。此后，多个国家竞相开展了多孔陶瓷的研究，形成了一个新兴产业。研究者采用圆管理论模型，研究了多孔材料空隙率、孔径、材料厚度以及理论模型，研究了多孔材料孔隙率、孔径、材料厚度以及结构因子对吸声性能的影响。
结果表明：
控制多孔材料孔径和厚度不变，吸声性能随着孔隙率增加而提高；
控制多孔材料厚度和孔隙率不变，吸声性能随着孔径的减小而提高；
控制多孔材料孔径和孔隙率不变，其低频吸声性能随着材料厚度的增加而提高，而高频吸声性能有所下降；
在材料厚度、孔径和孔隙率保持不变的情况下，结构因子对材料低频吸声性能没有明显影响，而在中高频范围内出现吸声系数的周期性变化。采用不同的方法制备出多孔陶瓷的性能具有很大差异，孔隙率、材料厚度和孔径大小是影响多孔陶瓷具有良好吸声性能的重要因素。
目前制备多孔吸声陶瓷材料常用的方法有颗粒堆积烧结法、添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、溶胶凝胶法等。
① 颗粒堆积烧结法
是利用骨料颗粒的堆积烧结而连接形成多孔陶瓷，骨料颗粒间可以通过添加与其组成相同的细微颗粒来连接，在一定温度下烧结将大颗粒连接起来；也可以使用一些高温下能与骨料间发生固相反应而将颗粒连接起来的添加剂，或是一些在烧结过程中可形成膨胀系数与化学组分都与骨料相匹配、并且能在高温下形成与骨料相浸润的液相的添加剂。
② 添加造孔剂法
该工艺在多孔陶瓷制备中具有广泛的应用，它是通过在陶瓷配料中添加挥发性或可燃性造孔剂，如木屑、煤粉、塑料粉等，同时利用这些造孔剂在高温下挥发或燃尽而在陶瓷基体中留下孔隙。
此法的关键在于造孔剂的选择，目的使多孔材料的气孔率得到提高。常用的造孔剂一般分为无机物和有机物两大类。前者包括易挥发性无机物碳酸氢铵、碳酸铵、氯化铵等，通过在高温下无机物的分解产生大量气体，冷却后材料会形成多孔；后者包括淀粉、碳粉等一些天然纤维、高分子聚合物，在模具压制成型的过程中自身占据一定尺寸的空间，在随后高温烧结条件下氧化，并形成一定的气孔。
③有机泡沫浸渍法
该工艺最早1963年获得专利，此后获得较大发展并成为制备多孔陶瓷应用最广泛的技术之一。其独特之处在于它凭借有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构，将配置好的浆料涂覆在有机泡沫体上，然后烧除有机物并烧结陶瓷体即得多孔陶瓷产品。
该工艺制备的多孔体的尺寸主要取决于有机泡沫体的孔隙尺寸，同时也与浆料在有机体上的涂覆厚度以及浆料的干燥、烧结收缩有关。一般而言，制得的多孔陶瓷孔隙尺寸会略小于原有机泡沫体的尺寸。同时该方法过程简单，操作方便，制备成本低，是一种经济实用且具有广泛发展前景的多孔陶瓷制造工艺。
④ 发泡法
此法发明于20世纪70年代，它是在陶瓷原料中添加无机或者有机物质在烧结器件产生挥发性的气体，从而使陶瓷中产生，经过干燥和烧结制备成多孔陶瓷。通常以碳酸钙、氢氧化钠、硫酸铝和双氧水等作发泡剂。
发泡法和有机泡沫浸渍法相比，其优点是制品的形状、成分和密度容易控制，特别适合闭孔陶瓷的生产，其缺点是对原料的要求较高，工艺上不易控制。
⑤ 溶胶-凝胶法
该工艺主要是用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料，特别是微孔陶瓷薄膜。同时该法也是制备高规整度多孔性材料的主要方法。其制备过程是将金属醇盐溶于低级醇中，缓慢滴入水以进行水解-缩聚反应，使溶液变成凝胶，干燥凝胶并结合热处理，即得到多孔制品。
此法制备的多孔陶瓷孔径分布范围很窄，孔径大小可以通过溶液组成和热处理工艺来控制，但缺点是多孔制品的形状受到一定的限制，同时该工艺较复杂、成本较高、产量较低等。有研究者采用铝粉在氯化铝溶液中水解方式制备铝溶胶，并直接将成孔剂与之混合来制备氧化铝多孔陶瓷。
除了以上常见的几张方法，多孔陶瓷的新型制备工艺方法还有冷冻干燥法、木制陶瓷化法、凝胶注模法、自蔓延高温合成法、高能球磨法、碳热还原法、固态置换法等。
随着人们对生活质量要求的提高，吸声材料由原来应用于大型会议室、音乐厅等转向一般家庭建筑中。与传统的吸声材料相比较，多孔吸声材料有其独特的优势，尤其是多孔陶瓷材料，它具有三维网状开孔结构、耐气候、抗腐蚀、耐热和抗震等特点。但由于陶瓷材料性脆，因而它的应用范围受到很大限制。若想进一步提高多孔陶瓷材料的应用领域，陶瓷材料的增韧研究可能会成为今后的研究重点。
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噪声，即噪音，通常被定义为“凡是人们不需要的声音”。近年来，随着工业现代化的发展和汽车数量的增强，工业噪声、道路交通噪声、建筑施工噪声、家庭和社会噪声等严重影响了人们的日常生活。噪声控制问题逐渐引起了科学工作者和国家相关部门的密切关注。采用吸声材料进行吸音降噪处理在目前是一种有效的吸音降噪方法。
多孔陶瓷是一种新型含有气孔的陶瓷基复合材料，其制造始于20世纪70年代。因其透过性好、密度低、硬度高、比表面积大、热导率低、耐高温、耐腐蚀等优良特性，使其在过滤分离、化工催化载体、生物医用植入、保温、隔热、吸声阻尼、燃烧和和阻火等方面具有良好的应用。
1 多孔结构吸声材料种类
多孔吸声材料具有许多连续、微小的孔洞。根据惠更斯原理，当声音入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则传入多孔体内部，引起孔隙中空气的振动并于陶瓷筋络发生摩擦。由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而消耗掉。声波在刚性壁面反射后，经过材料回到其表面时，一部分声波透射到空气中，一部分又反射回材料内部，声波通过这种反复传播，使能量不断转换消耗，如此反复，从而达到吸声的效果。
目前多孔结构吸声材料通常分为三大类，即有机多孔吸声材料、无机多孔吸声材料和多孔金属吸声材料。
2 多孔吸声陶瓷的制备方法
1978年美国首次成功研制了多孔陶瓷材料，他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材料制成多孔陶瓷用于铝合金铸造中的过滤，可以显著提高铸件的质量，降低废品率。此后，多个国家竞相开展了多孔陶瓷的研究，形成了一个新兴产业。研究者采用圆管理论模型，研究了多孔材料空隙率、孔径、材料厚度以及理论模型，研究了多孔材料孔隙率、孔径、材料厚度以及结构因子对吸声性能的影响。
结果表明：
控制多孔材料孔径和厚度不变，吸声性能随着孔隙率增加而提高；
控制多孔材料厚度和孔隙率不变，吸声性能随着孔径的减小而提高；
控制多孔材料孔径和孔隙率不变，其低频吸声性能随着材料厚度的增加而提高，而高频吸声性能有所下降；
在材料厚度、孔径和孔隙率保持不变的情况下，结构因子对材料低频吸声性能没有明显影响，而在中高频范围内出现吸声系数的周期性变化。采用不同的方法制备出多孔陶瓷的性能具有很大差异，孔隙率、材料厚度和孔径大小是影响多孔陶瓷具有良好吸声性能的重要因素。
目前制备多孔吸声陶瓷材料常用的方法有颗粒堆积烧结法、添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、溶胶凝胶法等。
① 颗粒堆积烧结法
是利用骨料颗粒的堆积烧结而连接形成多孔陶瓷，骨料颗粒间可以通过添加与其组成相同的细微颗粒来连接，在一定温度下烧结将大颗粒连接起来；也可以使用一些高温下能与骨料间发生固相反应而将颗粒连接起来的添加剂，或是一些在烧结过程中可形成膨胀系数与化学组分都与骨料相匹配、并且能在高温下形成与骨料相浸润的液相的添加剂。
② 添加造孔剂法
该工艺在多孔陶瓷制备中具有广泛的应用，它是通过在陶瓷配料中添加挥发性或可燃性造孔剂，如木屑、煤粉、塑料粉等，同时利用这些造孔剂在高温下挥发或燃尽而在陶瓷基体中留下孔隙。
此法的关键在于造孔剂的选择，目的使多孔材料的气孔率得到提高。常用的造孔剂一般分为无机物和有机物两大类。前者包括易挥发性无机物碳酸氢铵、碳酸铵、氯化铵等，通过在高温下无机物的分解产生大量气体，冷却后材料会形成多孔；后者包括淀粉、碳粉等一些天然纤维、高分子聚合物，在模具压制成型的过程中自身占据一定尺寸的空间，在随后高温烧结条件下氧化，并形成一定的气孔。
③有机泡沫浸渍法
该工艺最早1963年获得专利，此后获得较大发展并成为制备多孔陶瓷应用最广泛的技术之一。其独特之处在于它凭借有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构，将配置好的浆料涂覆在有机泡沫体上，然后烧除有机物并烧结陶瓷体即得多孔陶瓷产品。
该工艺制备的多孔体的尺寸主要取决于有机泡沫体的孔隙尺寸，同时也与浆料在有机体上的涂覆厚度以及浆料的干燥、烧结收缩有关。一般而言，制得的多孔陶瓷孔隙尺寸会略小于原有机泡沫体的尺寸。同时该方法过程简单，操作方便，制备成本低，是一种经济实用且具有广泛发展前景的多孔陶瓷制造工艺。
④ 发泡法
此法发明于20世纪70年代，它是在陶瓷原料中添加无机或者有机物质在烧结器件产生挥发性的气体，从而使陶瓷中产生，经过干燥和烧结制备成多孔陶瓷。通常以碳酸钙、氢氧化钠、硫酸铝和双氧水等作发泡剂。
发泡法和有机泡沫浸渍法相比，其优点是制品的形状、成分和密度容易控制，特别适合闭孔陶瓷的生产，其缺点是对原料的要求较高，工艺上不易控制。
⑤ 溶胶-凝胶法
该工艺主要是用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料，特别是微孔陶瓷薄膜。同时该法也是制备高规整度多孔性材料的主要方法。其制备过程是将金属醇盐溶于低级醇中，缓慢滴入水以进行水解-缩聚反应，使溶液变成凝胶，干燥凝胶并结合热处理，即得到多孔制品。
此法制备的多孔陶瓷孔径分布范围很窄，孔径大小可以通过溶液组成和热处理工艺来控制，但缺点是多孔制品的形状受到一定的限制，同时该工艺较复杂、成本较高、产量较低等。有研究者采用铝粉在氯化铝溶液中水解方式制备铝溶胶，并直接将成孔剂与之混合来制备氧化铝多孔陶瓷。
除了以上常见的几张方法，多孔陶瓷的新型制备工艺方法还有冷冻干燥法、木制陶瓷化法、凝胶注模法、自蔓延高温合成法、高能球磨法、碳热还原法、固态置换法等。
随着人们对生活质量要求的提高，吸声材料由原来应用于大型会议室、音乐厅等转向一般家庭建筑中。与传统的吸声材料相比较，多孔吸声材料有其独特的优势，尤其是多孔陶瓷材料，它具有三维网状开孔结构、耐气候、抗腐蚀、耐热和抗震等特点。但由于陶瓷材料性脆，因而它的应用范围受到很大限制。若想进一步提高多孔陶瓷材料的应用领域，陶瓷材料的增韧研究可能会成为今后的研究重点。
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