高洁净金属是交通运输、航空航天、海洋工程、能源开发等关键领域的重要工程材料，其服役性能受非金属夹杂物的数量、种类、形状和分布的影响很大。网状多孔陶瓷过滤器常被用于移除熔融金属中的非金属夹杂物，已被证明具有极高的过滤效率，其高孔隙率、复杂网络结构和高表面积有利于夹杂物的碰撞和捕获。随着应用领域技术发展以及现代材料开发技术革新，近年来网状多孔陶瓷成为相关领域的研究热点。
近日，武汉科技大学戴亚洁副教授与德国弗莱贝格工业大学Claudia Voigt教授等联合发表了一篇综述文章。文章回顾了多孔陶瓷过滤器近60年的发展，综述了高温熔体过滤器制备、过滤机理、应用、功能化及表征方面的最新进展，并针对非金属夹杂物特性及其与过滤器的相互作用进行了汇总。该研究成果以“Open-cell ceramic foam filters for melt filtration: processing, characterization, improvement and application”为题，发表在材料领域TOP期刊Journal of Materials Research and Technology上。
被用于各类冶金工艺的多孔陶瓷过滤器通常为一次性使用，其几何适应性、易于生产和低成本对于工业应用非常重要，因此论文聚焦基于Schwartzwalder模板法制备的多孔陶瓷过滤器。论文依照多孔陶瓷过滤器、非金属夹杂物以及两者之间相互作用（熔体过滤）的逻辑呈现，首先阐述了多孔陶瓷过滤器制备以及包覆工艺，总结了浆料流/触性能与组分的影响，并进一步探讨环境友好制备策略及增材制造技术等在新型过滤器开发过程中的应用基础与可行性。随后总结了多孔陶瓷结构特性、热-力学行为、相关力学性能表征技术以及多孔陶瓷增强技术。力学测试方法、推演力学分析模型对于普遍的多孔陶瓷性能研究、设计与优化均具有借鉴意义。
图1 典型多孔陶瓷过滤器结构
随后章节中，论文综述了钢铁、铝合金、铜合金等内氧化物、碳化物、氮化物等来源、化学组分、形貌、尺寸等信息，并首次从科研与工业角度总结了夹杂表征技术，为了解金属中夹杂物危害及高效去除提供了必要信息与依据。在此基础之上，进一步全面探讨了熔融金属过滤相关研究，主要包括高温熔体净化机理以及净化效率的关键影响因素。作为一类功能性结构型材料，高温熔体过滤过程复杂，过滤器结构参数、非金属夹杂物特性以及流体参数等均影响其效率，总体遵从碰撞-吸附模型。结合高温熔体特性，论文归纳了多孔陶瓷过滤器在钢铁、铝、铜、镁以及特种合金净化中的应用，提供了过滤器材质、结构、工艺等的适配性。
图2 多孔陶瓷非金属夹杂物过滤机理及流程示意图
文章最后总结了过滤行为的表征以及效率提升方法，从过滤器-熔体表面性能、模拟浇筑以及数值模拟等方面归纳了当下主流的过滤行为评价方法。过滤效率的提升则多采用表面功能化实现，根据原理差别总体分为活性与反应涂层两大类，前者基于与非金属夹杂物相近的化学组分，后者则多基于反应产生气体的浮力减少熔体中夹杂物数量。前人研究开发了大量的功能涂层，探讨了其对长期/短期过滤效率的影响。
图3 流场模拟：夹杂物路径与吸附（I），夹杂物尺寸（II）与过滤器形貌（III）影响
图4 碳热还原反应以及吸附过程图示
总体而言，已有许多研究围绕多孔陶瓷过滤器的材料和结构开发、性能表征、力学行为以及过滤效率展开。作者认为未来的研究将继续沿着这些方向进行，同时更注重节能和环保。高技术多孔陶瓷过滤的开发也是一个有趣的方向，例如分级过滤器、配备传感器或加热元件的过滤器等。采用可回收原材料和环保成分、通过新方法（如先进增材制造）实现CFFs的智能化生产、进一步对支撑结构和表面进行功能化处理（如微孔表面），并将其特定应用扩展到不同的工艺位置或熔融金属类型，这些都是未来可行的发展方向。近年来，一些相关工作已经开始，预计在不久的将来会有更多进展。
武汉科技大学材料学部戴亚洁副教授为论文第一作者和通讯作者，德国弗莱贝格工业大学Claudia Voigt教授为共同第一作者，武汉科技大学李亚伟教授、德国弗莱贝格工业大学Christos G. Aneziris等予以了支持与指导，该工作得到德国科学基金和国家自然科学基金项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.08.167
审核：力学家
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