碳化硅微孔陶瓷過濾板的制備

摘 要 本文考察了燒成溫度、成形壓力、燒成時間、成孔劑的加入量和玻璃相加入量對SiC微孔陶瓷過濾板孔隙率及微觀結構的影響。研究表明：燒成溫度為1300℃、成形壓力為40kN、燒成時間為4h、成孔劑加入量為16.5%時，制備出的SiC微孔陶瓷過濾板有著更為優良的性能。

關鍵詞 SiC微孔陶瓷過濾板，孔隙率，燒結溫度，成孔劑，玻璃相

1引言

碳化硅主要為共價鍵化合物，碳化硅結晶中存在呈四面體空間排列的雜化鍵sp³，s→p電子的遷移，使其能量穩定，存在牢固的共價鍵，從而形成具有金剛石晶體結構的碳化硅[1]。用SiC作骨料制備的微孔陶瓷過濾器，有較高的孔隙率，耐高溫、導熱率高、導電性好，有優良的抗化學腐蝕性能和冷加工性能[2]。因此，碳化硅微孔陶瓷過濾器可以用于液體和氣體過濾、布氣材料、催化劑載體[3～5]和吸音材料[6]，還可用作敏感元件[5]、隔膜材料[7]、生物工程材料[8]等。

本文采用多孔陶瓷常用制備方法[9]之一的固態燒結法制備SiC微孔陶瓷，考察燒成溫度、成形壓力、燒成時間、成孔劑的加入量和玻璃相無機粘結劑的數量等因素對SiC微孔陶瓷過濾板孔隙率及微觀結構的影響，從而為制備性能良好的SiC微孔陶瓷過濾器提供理論依據。

2實驗

實驗儀器有：電子天平、球磨機、萬能材料實驗機、馬弗爐、電爐、電子顯微鏡。試驗所用的原材料有：工業純的SiC骨料、粘土（18μm）、長石、甲基纖維素和化學純的Al(OH)₃(2μm)。

3結果與討論

3.1 燒成溫度對SiC陶瓷過濾板孔隙率的影響

按配方制備制品，不同燒成溫度對SiC陶瓷過濾板孔隙率的影響如圖1所示。由圖可知，在1200～1300℃范圍內隨著溫度的升高，SiC微孔陶瓷過濾板的孔隙率呈逐漸下降的趨勢，下降的幅度為5.5%左右。這是因為粘結劑在約1200℃時開始熔融，較低溫度時粘結劑所接觸的局部區域出現液相，成孔劑揮發的氣體沿坯體內在成形過程中殘余的氣體通道向表面擴散，形成較多的開口氣孔，表現出較高的孔隙率。隨著溫度的升高，玻化程度提高，同時出現液相，使粘結劑潤濕，溶解骨料并與骨料發生作用形成低共熔物，溶于液相中促進燒結。當溫度較高時，樣品中玻璃相增加，玻璃相的粘度下降，流動性增加，較多地填充空隙，此時，已接近完全燒結階段，故孔隙率會有所下降。所以，要提高孔隙率，燒結溫度不能太高。這樣既能保證SiC陶瓷過濾板有一定的強度，又有較高的孔隙率，故選用1300℃作為燒結溫度較為恰當。

3.2 成形壓力對SiC微孔陶瓷過濾板孔隙率的影響

固定配方在1300℃下燒成并保溫3h，研究成形壓力對制品性能的影響。

從圖2中可以看出，隨著成形壓力的增大，材料的孔隙率大體上呈下降趨勢，由50.0%減小到42.7%。這是因為隨著成形壓力的提高，坯體致密度相應提高，孔隙率隨之減小。在保證制品有一定的強度時，則盡量降低成形壓力，成形壓力為40kN時為最佳。

3.3 燒成時間對SiC微孔陶瓷過濾板孔隙率的影響

在固定配方、燒成溫度與成形壓力不變的情況下，探討燒結保溫時間的變化對試樣孔隙率的影響。

由圖3可以看出：隨著保溫時間的延長，孔隙率呈微弱的下降趨勢。但是孔隙率下降的幅度比較小，保溫1h和6h的制品孔隙率僅差2.5%。這主要是因為試樣的溫度在由室溫升至1300℃的過程中，各種反應和變化可以得到充分的進行，故保溫時間對樣品孔隙率的影響較小。隨著保溫時間的增加，試樣在燒結的過程中將獲得更多的能量，使得試樣的結構更加致密化，孔隙率減小。

另外，由于實驗的成孔劑在300℃左右就會分解，在升溫至1300℃并保溫的情況下，成孔劑的反應已基本進行完全，不會對制品的孔隙率造成很大的影響。這時，粘結劑隨著燒結時間的延長所發揮的作用更大，它使試樣內部顆粒連接更加緊密孔隙逐漸變小。綜合SiC微孔陶瓷過濾器孔隙率和強度考慮，合適的燒結保溫時間為4h。

3.4 成孔劑的加入量對SiC微孔陶瓷過濾板孔隙率的影響

SiC微孔陶瓷過濾器微孔的形成有多種方法，本文主要采用添加成孔劑的方法，使其在燒結之前占位，在燒結過程中發生氧化或分解，從而形成三維相互貫通的微孔。根據實驗條件，本試驗選用Al(OH)₃微粉（2μm）作成孔劑。在SiC骨料和粘結劑的比例保持不變的情況下，僅改變Al(OH)₃成孔劑的加入量，按表1中所給出的配方進行配料。

試樣先在400℃下保溫1h，使Al(OH)₃充分分解（Al(OH)₃分解溫度為300℃，發生反應為：2Al(OH)₃ =Al₂O₃+3H₂O）。在1300℃下保溫3h，再進行性能測試。從圖4中可以發現，隨著成孔劑用量的增大，試樣的氣孔率隨之升高。這是因為隨著成孔劑含量的增加，其分解反應后在SiC微孔陶瓷過濾器中形成的孔隙也相應增大，故孔隙率上升。但成孔劑量的增加必然會減少顆粒間的結合程度，甚至使骨架成形時難以聯成一體而散開解體，影響制品的強度，所以成孔劑的加入量不能過多，實驗認為加入16.5%的Al(OH)3較為適宜。

3.5粘土的加入量對SiC微孔陶瓷過濾板孔隙率的影響

在Al(OH)₃成孔劑加入量的比例保持不變的情況下，僅改變粘土的加入量，按表2中所給出的配方進行配料。

從圖5可以看出：隨著粘土加入量的增大，制品的孔隙率呈下降趨勢。這是因為在一定范圍內，隨著粘土的增加，氣孔率下降。粘土物料要選擇能在980℃左右形成低共熔物，出現液相，將SiC骨料結合起來的物質。

4結論

燒成溫度、成形壓力、燒成時間、成孔劑的加入量和玻璃相的加入量等對SiC微孔陶瓷過濾板孔隙率及微觀結構有著較大的影響。研究發現：隨著燒成溫度的提高，SiC微孔陶瓷的孔隙率降低，氣孔形狀呈不規則變化；成形壓力的增加和燒成時間的延長則會導致SiC微孔陶瓷孔隙率的減小；隨著成孔劑含量的加大，制品的孔隙率變大，而粘結劑含量越大，產品的孔隙率越小。更為優化的制備條件為：燒成溫度1300℃、成形壓力40kN、燒成時間4h，成孔劑的加入量為16.5%。

參考文獻

1 李世普主編.特種陶瓷工藝學[M].武漢工業大學出版社，1990:82

2 姚治才.環境問題與陶瓷[J].咸陽陶瓷研究設計院，1999，1:7～12

3 Bloomfield， et.al. USP5965010， October 12，1999

4 Smojver.USP5690900， November 25，1997

5 陳俊彥譯.最新精細陶瓷技術[M].工業調查會編輯部編，中國建筑工業出版社，1986:81

6 張曉霞，山玉波，李伶.多孔陶瓷的制備與應用[J].現代技術陶瓷，2005，4:37～40

7 Nies， et al.USP5650108， July 22，1997

8 Ikushina， et al.USP5869548， February 8，1999

9 方 玲.SiC多孔陶瓷制備與應用[J].陶瓷科學與藝術，2005，6:4～11