磷酸對硅微粉研制的多孔陶瓷的影響

林亮

（福建交通職業技術學院，福州：350007）

磷酸對硅微粉研制的多孔陶瓷的影響

林亮

（福建交通職業技術學院，福州：350007）

以鐵合金冶煉過程中產生的超細硅灰粉塵為主要原料，添加適量結合劑，經高溫燒結可研制成本低廉的多孔陶瓷。本論文主要探討不同燒結溫度下以磷酸為結合劑的多孔陶瓷的氣孔率、體積密度、抗折強度的變化，并采用X射線粉末衍射分析和掃描電鏡對其晶相組成和微觀結構進行表征。結果表明磷酸結合劑的最佳添加量為2.0%，最佳燒結溫度為700℃，所制得的多孔陶瓷以無定形SiO2為主相，樣品氣孔率為43.55%，吸水率為34.19%，體積密度為1.25 g/cm3，抗折強度為28.50MPa。

磷酸，結合劑，多孔陶瓷，硅微粉

1 前言

多孔陶瓷是一種含有氣孔的固體材料，一般來說，氣孔在多孔陶瓷體中所占的體積分數在20%到95%之間[1]。多孔陶瓷的應用范圍很廣，包括分離與過濾、催化劑及其載體、生物反應器、氣體傳感器、隔熱材料、熱交換器、生物醫學材料等等。根據使用場合的不同，多孔陶瓷材料的組成及制備工藝也不相同，包括氧化鋁、堇青石、莫來石、海泡石、碳化硅、氧化鋯、羥基磷灰石等等[2]。常見的制備工藝有發泡工藝、擠出成型工藝以及有機泡沫浸漬工藝等，這些制備方法普遍具有成本高，工藝復雜，燒成溫度高等特點[3-4]。

硅微粉是硅鐵電爐冶煉過程中產生的超細粉塵經袋式收塵器收集得來，其主要成分為超細的SiO2，平均粒徑＜0.1μm，掃描電鏡下觀察呈球形[5]，這些球形顆粒堆積可形成多孔結構，因此可用來制備具有微孔尺度的多孔陶瓷。由于硅微粉呈瘠性，成型性能差，因此制備多孔陶瓷需添加結合劑，但結合劑的加入在提高制品強度的同時會降低氣孔率，不同的結合劑作用效果不同[6]。本論文主要探討磷酸作為結合劑對硅微粉制備的多孔陶瓷的性能及微觀結構的影響，為以最低成本制備多孔陶瓷提供參考依據。

2 實驗方法及過程

2.1 原料及成分

實驗所用硅微粉來自西北鐵合金冶煉廠，其化學成分如表1所示。磷酸來自江蘇恒發化工有限公司。

2.2 試樣制備

2.2.1 粘結劑配方試樣制備

本文采用分別在硅灰粉塵中添加0.3%，0.5%，1%，2%，3%，4%和5%（質量分數，下同）的結合劑來制備粘結劑試樣，相應的試樣代號依次記為：No.1～No.7。

表1 硅微粉的化學組成Tab.1 Chemical composition of fine silicon powder

表2 各樣本多孔陶瓷的性能指標Tab.2 Performance index of each sample sintered with different dosages of phosphoric acid

按比例稱取硅微粉與不同含量的粘結劑，加適量水，充分混合均勻，半干壓成型（單面加壓方式，將壓力定為7 Mpa，保壓時間為30s），然后置于馬弗爐中升溫至 650℃（升溫速率：200℃/h，保溫時間：20min），自然冷卻后得到各樣品。

2.2.2 不同燒結溫度試樣制備

在2.2.1確定的最佳結合劑添加量配方的基礎上，進行不同燒結溫度 500、550、600、650、700、750、800、850℃（升溫速率：200℃/h，保溫時間：20min）的試樣制備，以確定最佳的燒結溫度。

2.3 樣品測試及表征

采用三點彎曲法測試樣品的抗折強度，采用懸水重法測試各樣品的顯氣孔率和體積密度。采用XRD法（Philips X′pert－MPD X射線衍射儀，分析條件CuKα1，電壓 40KV，電流 40mA）表征各樣品的晶相組成，用SEM（Philips XL30ESEM）觀察微觀形貌。

3 結果分析與討論

3.1 磷酸添加量對多孔陶瓷性能的影響

表2所示為不同磷酸添加量下得到的多孔陶瓷的氣孔率、體積密度、吸水率和抗折強度。

從表2可以看出，隨著磷酸添加量的增加，多孔陶瓷的氣孔率和吸水率呈先下降而后上升的趨勢，相應的體積密度和抗折強度則相反。這是因為磷酸呈膠體狀態，在高溫下，膠體狀的顆粒呈粘性流動，顆粒間進行重新排列而阻力較大，填充了部分氣孔通道，隨著磷酸添加量的增多，這種填充效應愈加明顯，因此表現出整體材料氣孔率的下降；但因為硅微粉中除SiO2外還含有一定的CaO、MgO、K2O和Na2O，隨磷酸添加量的增多，部分磷酸會與這些堿性氧化物發生反應而產生瞬間凝固效應，凝固速度太快難以形成致密的結構，從而使制品中出現微裂紋，所以No.6樣品，即磷酸添加量等于4%時，多孔陶瓷表現出氣孔率和吸水率增加的現象。根據表2數據，并考慮樣品的成型操作難易程度，選擇No.4樣品，即磷酸添加量為2%時為最佳添加量，此時制得的多孔陶瓷顯氣孔率為47.61%，吸水率為40.98%，體積密度為1.16g/cm3，抗折強度為19.34MPa，可以滿足一般場合的使用強度要求。

3.2 燒結溫度對多孔陶瓷性能的影響

選擇磷酸添加量為2%的樣品，分別在不同溫度（500、550、600、650、700、750、800、850℃） 下燒結，所得的樣品性能指標如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出，隨著燒結溫度的升高，氣孔率先緩慢升高，在650℃達到最大值后又緩慢下降，變化并不明顯，說明從650℃后樣品開始逐漸燒結，體積密度逐漸增大，強度逐漸提高；到800℃時氣孔率開始快速下降，850℃時氣孔率由37.43%快速下降到20.41%，說明此時樣品已趨于完全燒結，與此同時，樣品的體積密度增加到1.72 g/cm3，達到最高。

從圖2可以看出，樣品的抗折強度隨燒結溫度的升高呈先下降繼而上升后又下降的趨勢。當燒結溫度為500和550℃時，樣品的抗折強度不足5Mpa，不能滿足一般場合的使用強度要求；當燒結溫度為700℃時，樣品的抗折強度達到最高值28.50Mpa；當燒結溫度升高到750℃時，樣品的抗折強度又大幅下降至11.24MPa；繼續升高燒結溫度，樣品出現開裂等現象，因此無法測試其抗折強度。

綜合圖1和圖2的分析結果，確定以磷酸為結合劑的硅微粉多孔陶瓷的最佳燒結溫度為700℃，此時，樣品的氣孔率為43.55%，吸水率為34.19%，體積密度為1.25 g/cm3，抗折強度為28.50Mpa。

3.3 多孔陶瓷的晶相組成表征

圖3所示為不同燒結溫度下得到的多孔陶瓷的XRD分析結果。從中可以看出，在各燒結溫度下得到的樣品的XRD譜圖是一致的，仍保持著硅微粉原始粉末的無定形態結構，說明在750℃下硅微粉沒有析晶，這與文獻報導是一致的。

3.4 多孔陶瓷的微觀形貌表征

圖4(a)～(d)依次是燒結溫度為 700℃，磷酸添加量分別為0.3%、1.0%、2.0%和4.0%時樣品的微觀形貌。

從圖4可以看出，隨著磷酸添加量的增加，樣品逐漸呈現燒結的狀態。圖4(a)樣品仍保持均勻分散的顆粒狀；圖4(b)局部顆粒粘結，但整體仍未呈現燒結現象；圖4(c)已出現明顯的顆粒聚集、氣孔率下降的燒結現象；而從圖4(d)則可看出，樣品顆粒間隙已填充玻璃相，導致氣孔率明顯下降，這表明4.0%的磷酸添加量已過量。

4 結論

（1）用硅微粉為主要原料，添加磷酸結合劑可制備高氣孔率的多孔陶瓷，工藝簡單，成本低廉。

（2）磷酸結合劑的最佳添加量為2.0%，最佳燒結溫度為700℃，所制得的多孔陶瓷樣品氣孔率為43.55%，吸水率為34.19%，體積密度為1.25 g/cm3，抗折強度為28.50Mpa，此時樣品的主晶相仍保持硅微粉原料時的無定形態SiO2。

1 王圣威,金宗哲,黃麗容.多孔陶瓷材料的制備及應用研究進展.硅酸鹽通報,2006,25(4):124～129

2 初雅杰,吳申慶.多孔陶瓷的顯微結構與性能.材料導報,2008,22(9):47～50

3 朱新文,江東亮,譚壽洪.多孔陶瓷的制備、性能及應用：(I)多孔陶瓷的制造工藝.陶瓷學報,2003,24(1):40～45

4 張智慧,李楠.多孔陶瓷材料制備方法.材料導報,2003,17(7):30～31

5 于巖,阮玉忠,林春鶯等.鐵合金廠回收的硅微粉在不同溫度下晶相結構的研究.結構化學,2004,23(3):306～311

6 朱立欽,吳任平,于巖.利用硅灰粉塵研制多孔陶瓷.福州大學學報(自然科學版),2009,37(3):384～387

INFLUENCE OF PHOSPHORIC ACID ON POROUS CERAMICS MADE FROM FINE SILICON POWDER

Lin Liang
(Fujian Communications Technology College,Fuzhou 350007)

A type of low cost porous ceramics was made by using suitable binder and fine silicon powder generated during iron alloy smelting process as main raw materials.The variation of porosity,bulk density and bending strength with different sintering temperatures of porous ceramics (by using phosphoric acid as binder)were discussed in this paper.XRD and SEM techniques were used to characterize the crystalline composition and microstructures.The results show that the best dosage of phosphoric acid is 2.0%and the best sintering temperature is 700℃.The main crystal phase of acquired porous ceramics is amorphous SiO2.The porosity of the porous ceramics is up to 43.55%,water absorption is 34.19%,bulk density is 1.25 g/cm3and bending strength is 28.50MPa under best preparing conditions.

phosphoric acid,binder,porous ceramics,fine silicon powder

on Feb.3,2010

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0306-04

2010-02-03

林亮，E-mail:linliang0601114@163.com

Lin Liang,E-mail:linliang0601114@163.com