碳化硅—氧化鋁多孔陶瓷的制備研究

楊高峰

摘 要：本文以氧化鋁粉（44 μm）為主要原料，碳化硅粉（0.3 μm）作添加劑，磷酸二氫鋁作為粘接劑。在300MPa的壓力下將粉料模壓成多孔陶瓷胚體，試樣中碳化硅的添加量分別為5%、10%、15%，粘接劑的含量為6%。將試樣在600℃、800℃、1000℃三個溫度下燒結，保溫1 h后隨爐冷卻，測試試樣的抗折強度、孔隙率及線收縮率，分析不同燒結溫度和碳化硅的添加量對多孔陶瓷的力學性能的影響。實驗結果表明：隨溫度逐漸升高，碳化硅添加量的增多，試樣的抗折強度逐漸升高，當溫度為1000℃，碳化硅添加量為15%時，試樣的抗折強度高達48 MPa。在三個溫度下，試樣的線收縮率整體變化不大，添加劑含量為5%，在600℃燒結后，線收縮僅為13%。孔隙率一方面隨著溫度的升高而下降，另一方面卻隨添加劑的含量的增加呈上升趨勢。

關健詞：多孔陶瓷；顆粒堆積；抗折強度；孔隙率；線收縮率

1 引言

多孔陶瓷是粉末原料經成形工藝在高溫作用下硬化而制成的，是多晶體、多相（以氣孔為主相）的聚集體[1]。多孔陶瓷具有耐高溫、耐磨損、抗化學腐蝕性能優良、硬度高、比表面面積大、熱傳導率低等多種優異性能，已廣泛應用與各工業部門及近30年迅速發展起來的化工、空間技術、醫療、能源、環保等眾多領域，可作為生物陶瓷及催化劑載體、敏感材料、隔熱、吸聲、分離、過濾等，多孔陶瓷的使用量日益增大，適用范圍在不斷擴展，同時隨著科學技術的發展也對陶瓷材料提出了更多更新的要求，使得多孔陶瓷的科研日益活躍。

氧化鋁多孔陶瓷按照其成品的孔徑大小可分為宏孔陶瓷、介孔陶瓷和微孔陶瓷三類[2]；還可以根據孔徑之間的關系分為開氣孔（孔徑與外部空氣連接）和閉氣孔（孔徑在基體內部）兩類。氧化鋁多孔陶瓷以氧化鋁為主原料，經一系列的成型工藝后在一定的溫度下燒結，試樣微觀表現為組織內部存在各種微孔，有開口氣孔，還有閉氣孔。這氧化鋁多孔陶瓷具有兩種優良性能：（1） 氧化鋁多孔陶瓷具有較低的熱傳導率，良好的機械性能，化學穩定性和化學熱穩定性、耐腐蝕、耐磨損、抗高溫，使其在石油化工，儀表儀器、電子電器方面有大量的應用[3]。（2）由于具有較高的孔隙率，使其對氣體和液體介質有良好的過濾性，可大量應用與于污水處理膜的制備材料[4]。

多孔陶瓷在化工、節能、環保等領域的應用己帶來了巨大的社會效益和經濟效益[5]。目前由于工業污水的排放，大量重金屬元素、酸堿性液體直接排放不僅污染了生態環境，而且嚴重影響人體健康，通過合理科學的途徑將廢液中的有害物質排除且回收有效的成分重新利用已越來越受到人們的重視與關注。由于多孔陶瓷具有過濾效率高、過濾面積大的特點，因此在過濾凈化技術中，多孔陶瓷作為一種新型高效過濾器，日益得到了人們的重視[6]。但仍需解決很多實際問題：首先就是如何合理調整孔隙率和抗折強度之間的關系，怎樣選材來降低生產成本，對影響多孔陶瓷的孔徑分布、孔徑結構的因素進行精確控制。

本文對燒結工藝參數（燒結溫度）對多孔Al2O3陶瓷結構組織的影響進行了研究。研究SiC顆粒的含量對多孔Al2O3陶瓷氣孔率的影響。了解燒結試樣的氣孔率及組織對力學性能的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

氧化鋁，粒度為44 μm；碳化硅，粒度為0.3 μm；電熔白剛玉，粒度為325目；磷酸二氫鋁。

2.2 實驗儀器

電子天平，型號為HZT-A200，美國華志公司；電熱鼓風恒溫干燥箱，型號為101-4，上海光地儀器有限設備有限公司；試驗室箱式爐，型號為SX2-12-16，南京桂林爐業有限公司；電子萬能試驗機，規格型號：CMT5305，濟南恒思盛大儀器有限公司。

2.3 實驗步驟

（1） 采用模壓成型法，把原料倒入碾缽，研磨均勻后在電子天平上稱取6 g，倒入清理干凈的模具。調試好萬能試驗機，即：最大壓力為108 KN，運行速度為2 mm/min。在萬能試驗機上干壓成型，模壓成型坯體間形狀為60×6×5.5 mm條狀，成型后在恒溫電阻箱中干燥，溫度控制位80℃，干燥6 h，使胚體具有一定的強度。

（2）干燥后的試樣在常壓下進行燒結。本實驗主要探究低溫制備多孔陶瓷，燒結溫度定在600℃、800℃、1000℃三個點。在每個溫度點保溫1 h后隨爐冷卻，探究最適宜的SiC-Al2O3多孔陶瓷的燒結溫度。

（3）氣孔率和體積密度測定。燒結后的試樣每組依次取出一條，并進行編號，進行稱量，記為G1，精確度0.01g。將試樣放在煮沸器皿上，加入蒸餾水使試樣完全被淹沒，加熱至沸騰后繼續煮沸2 h，然后冷卻至室溫。煮沸時器皿和試樣間應墊干凈紗布，以防止煮沸時試樣碰撞掉角。把上述飽和試樣放入鐵絲網籃，懸掛在帶溢流管的注滿蒸餾水的容器中，稱量飽和試樣在水中的重量，記為G3，精確至0.01 g。從中取出飽和試樣，用飽含水的多層紗布，將試樣表面過剩水分輕輕擦掉（注意不應吸出試樣孔隙中的水），迅速稱量飽和試樣在空氣中的重量，記為G2，精確至0.01 g。

用排水法測定多孔陶瓷的氣孔率計算公式如下：

孔隙率： q=■×100%

式中：q為條狀試樣的顯氣孔率（%）；G1為條狀試樣的干燥重量（g）；G2為條狀飽和試樣在空氣中的重量（g）；G3為條狀飽和試樣在水中的重量（g）。

（4） 試樣線收縮率測定。在燒結前，使用電子游標卡尺每組試樣進行長度測量。試樣燒結后在，每個溫度點下，依次對每組試樣中的5條測量，記錄數據，計算其平均長度。線收縮率公式：

收縮率： L=■×100%

式中：L1為烘后長度；L2為燒后長度。

（5） 抗折強度的測定。本實驗采用電子微控萬能試驗機進行三點彎曲法抗折強度的測定。彎曲強度試樣尺寸為60×6.5×5.5 mm，試樣的受壓橫截面平行于十字頭移動方向，跨距30 mm，十字頭的加載速度為0.5 mm/min，每個均值數據為兩顆（分別測試兩端）試樣的加權平均值。抗折強度的計算公式如下：

σf=■×100%

式中： p為載荷（N）；l為跨距（mm）；b為試樣寬度（mm）；h為試樣高度（mm）。

2.4 實驗配方

3 結果與分析

3.1 氧化鋁多孔陶瓷燒結機制

胚體經過成形及干燥過程后，顆粒間只有很小的附著力，因而強度相當低、要使顆粒間相互結合以獲得較高的強度和硬度，通常是使胚體經過一定的高溫燒成。在燒成過程中往往包含多種物理化學過程，如脫水、熱分解和相變，熔融和溶解，固相反應以及析出晶體，晶體長大和剩余玻璃相的凝固過程[7]。

燒結是陶瓷制備中重要的一環，伴隨燒結發生的主要變化是顆粒間接觸界面擴大并逐漸形成晶界；氣孔從連通逐漸變成孤立狀態并縮小，最后大部分甚至全部從胚體中排除，使成形體的致密度和強度增加，成為具有一定性能和幾何外形的整體[8]。燒結可以發生在單純的固體之間，也可以在液相參與下進行。前者稱為固相燒結，后者稱為液相燒結。無疑，在燒結過程中可能包含有某些化學反應的作用，但燒結并不依賴化學反應的發生。它可以在不發生任何化學反應的條件下，簡單的將固體粉料進行加熱轉變成堅實的致密燒結體，如各種氧化物陶瓷和粉末冶金制品的燒結就是如此，這是燒結區別于固相反應的一個重要方面。

燒結過程可以用圖1來說明。圖中第一階段表示燒結成形體中顆粒的堆積情況。這時，顆粒有的彼此以點接觸，有的則相互分開，保留較多的空隙。緊接著隨燒結溫度的提高和時間的延長，開始產生顆粒間的鍵合和重排過程。這時顆粒因重排而相互靠攏，第一階段的大空隙逐漸擴大為面接觸，顆粒間界面面積增大，固—氣表面積相應減小，但仍有部分空隙是連通的。第三階段過程表明，隨著傳質的繼續，顆粒界面進一步發育長大，氣孔則逐漸縮小和變形，最終，轉變成孤立的閉氣孔。與此同時，顆粒粒界開始移動，粒子長大，氣孔逐漸遷移至粒界上消失，燒結體致密度提高，即圖上的第四階段。

基于上述分析，可以把燒結過程分為初期，中期，后期三個階段。燒結初期、中期、后期三個階段。燒結初期只能形成顆粒重排，空隙變形和縮小，但總表面積沒有減小，并不能最終填空隙；燒結中、后期則較多排出氣體，是空隙率減低，提高胚體的致密度，使樣品的抗折強度升高[9]。

燒結的第一階段，胚體中粘接劑、自由水排出，形成大氣孔。燒結的第二階段，發生一些列的物理化學反應、如舊相的消失，新晶相的形成等。燒結的第三階段，隨著氣體的排出，空隙率減低，抗折強度升高。

3.2 彎曲強度分析

采用三點彎曲方法測試了600℃、800℃、1000℃三個溫度梯度下，分別加入0.3 μm的SiC 5%、10%、15%時試樣的抗折強度，結果取平均值如圖2所示：

從圖2中可以看出，隨著燒結溫度的升高，多孔陶瓷的抗折強度升高，而且800 ～ 1000℃溫度范圍內抗折強度上升比600 ～ 800℃要高，這主要是因為提高燒結溫度后，原料中顆粒發生鍵合和重排過程，隨著顆粒重排而相互靠攏，胚體中空隙大量下降，基體變得更加致密化，抗折強度增大。

3.3 對試樣孔隙率的分析

在胚體燒成過程中往往包含多種物理化學變化，如脫水、熱分解和相變，熔融和溶解，固相反應以及析出晶體，晶體長大生成液相、液相數量和粘度不斷變化。與此同時，胚體的孔隙率，線收縮率也會發生不同程度的變化。

由圖3可以看出，隨著燒結溫度的升高，多孔陶瓷的孔隙率降低，當溫度超過800℃，碳化硅氧化鋁多孔陶瓷的孔隙率下降較大。這是因為隨著溫度提高，顆粒間結合更加緊密，收縮增大，密度提高。

3.4 對試樣線收縮率的分析

本實驗取5%、10%、15%三個碳化硅百分比的平均值，獲得三組試樣線收縮率與溫度的關系，實驗結果的平均值與溫度的關系如圖4所示：

由圖4可以看出600 ～ 800℃階段， 線收縮率變化較慢，其收縮主要與磷酸二氫鋁分解及原料脫水有關，而800 ～ 1000℃燒結時，孔隙體積減少，收縮率變化較快。

4 結 語

本實驗采用0.3 μm碳化硅、磷酸二氫鋁、325目氧化鋁粉末為原料，通過模壓成型獲得多孔陶瓷胚體，在600℃、800℃、1000℃三個溫度下固相燒結，分析測試樣的抗折強度、孔隙率和線收縮，得到如下結論：

（1）隨著燒結溫度的升高，多孔陶瓷的抗折強度升高，而且800℃～1000℃溫度范圍內抗折強度上升比600 ～ 800℃快。

（2）在600 ～ 800℃階段， 線收縮率變化較慢，其收縮主要與磷酸二氫鋁分解及原料脫水有關，而800 ～ 1000℃燒結時，孔隙體積減少，孔隙率降低較大。

（3）試樣的線收縮率主要與燒結溫度有關，溫度在室溫到600℃，試樣線收縮率不大，僅為13%，其收縮主要與磷酸二氫鋁分解及原料脫水有關，隨著溫度的升高，線收縮率不斷增大。

參考文獻

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