原料配比對石英質孔梯度陶瓷性能的影響

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(1.廣西民族大學相思湖學院，南寧 530008；2.九江學院機械與材料工程學院，九江 332005；3.萍鄉學院材料與化學工程學院，江西省環保材料與裝備工程技術研究中心，萍鄉 337055)

0 引 言

多孔陶瓷是指由原料經成型和高溫燒結而成的具有較高氣孔率的一種陶瓷材料。多孔陶瓷具有耐高溫、抗氧化、耐化學腐蝕、微孔均勻，以及原料來源廣等特點，在化工、石油、冶金、機械、食品、醫藥、生物等行業中作為固液分離、曝氣、吸聲、換熱等材料而得到了較多應用。但是，多孔陶瓷的網狀微孔結構降低了其強度，影響了其使用范圍與壽命[1-5]。

功能梯度材料是指組成和結構從一方位(一維、二維、三維)向另一方位連續變化，使性能和功能也呈現梯度變化的一種新型材料[6-7]。孔梯度陶瓷是指陶瓷中的孔徑隨陶瓷厚度呈現出規律變化的一種陶瓷材料，孔梯度分布使得該陶瓷既能作為過濾材料完成分離過程，又能作為保溫材料完成隔熱過程，不僅有效解決了傳統多孔陶瓷依靠增大氣孔率來提高分離效率和保溫效果的問題，而且在一定程度上保證了陶瓷的強度[8-9]。然而，氣孔率和力學性能的同步提升仍是孔梯度陶瓷研究的重點。為此，作者以資源豐富的低品位石英砂為主要原料，模仿工業生產工藝制備孔梯度陶瓷，研究了石英砂含量、水料質量比和發泡劑含量對該陶瓷氣孔率、抗壓強度和顯微結構的影響，為制備高性能的石英質孔梯度陶瓷提供參考依據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

將從九江地區長江沿岸采集的低品位石英砂(河沙)在太陽下曬干，干燥的石英砂呈黃色，組成如表1所示。對石英砂進行粗選，過50目篩后，裝入球磨罐在QM-BP型行星式球磨機上球磨1 h，球磨后的平均粒徑為14m。

表1 石英砂的化學組成(質量分數)Tab.1 Chemical composition of the quartz sand (mass) %

按照石英砂含量(質量分數，下同)分別為65%，70%，75%稱取石英砂和高嶺土，再以碳酸鈣和發泡劑的質量分數為10%，其中發泡劑的質量分數分別為0.2%，0.5%，0.8%稱取碳酸鈣和發泡劑，添加適量的水(水料質量比分別為0.9，1.0，1.1)后在GMJ-4-10型臥式球磨機中進行球磨，采用氧化鋁瓷球，大球和小球的直徑分別為10，5 mm，大小球質量比為1∶1，裝料量為罐體體積的50%，球料質量比為1∶1，主軸轉速為100 r·min-1，球磨時間為2 h。將球磨后的漿料澆注到φ80 mm塑料模具中，自然沉積24 h后，在RHY202-3型烘箱中依次于20 ℃保溫24 h，40 ℃保溫24 h，60 ℃保溫12 h，80 ℃保溫12 h，進行梯度升溫烘干，得到尺寸為φ80 mm×60 mm的坯體；將坯體放入ZT-50-22型真空碳管爐中于1 150 ℃保溫1 h燒結[10]。燒結后的陶瓷用超聲波清洗，烘干待用。

1.2 試驗方法

在燒結后的陶瓷上切割出尺寸為60 mm×60 mm×60 mm的矩形試樣，在其表面輕抹一層甘油，以防止測試過程中水進入開孔中，采用BSA224S-CW型物性分析電子天平、應用阿基米德法測試樣的氣孔率。

采用WDW-E100D型萬能力學試驗機測試樣的抗壓強度，加載速率為1 N·s-1，利用TESCAN VEGA Ⅱ型掃描電鏡觀察其顯微結構。

2 試驗結果與討論

2.1 石英砂含量對陶瓷性能的影響

由圖1可以看出，隨著石英砂含量的增加，試樣的氣孔率增大，抗壓強度降低。石英砂屬于脊性原料，在燒結過程中不發生收縮，作為骨架的主要成分支撐整個陶瓷結構，而其他原料在燒結時發生收縮或者分解，使得陶瓷內部孔隙增多，氣孔率增大。氣孔率增大，則試樣中的骨架相應減少，骨架是主要的承力部位，因此抗壓強度下降。

圖1 陶瓷試樣的氣孔率和抗壓強度隨石英砂含量的變化曲線(發泡劑含量0.8%，水料質量比1.0)Fig.1 Porosity and compressive strength vs quartz sand content of ceramic samples (blowing agent content of 0.8%, water to material mass ratio of 1.0)

由圖2可以看出，隨著石英砂含量的增加，試樣中的氣孔逐漸增多，在宏觀上呈現出一定的孔梯度結構,但成型效果變差。石英砂為脊性原料，其含量增加，則相應的高嶺土含量減少，這使得石英砂顆粒之間的黏結力降低，成型時顆粒之間的嚙合作用力減小；同時漿料與模具壁之間的黏度不變，但相互作用力增大。因此，在干燥過程中含較多石英砂的坯體更易變形，甚至破裂，其成型效果變差[11-12]。

由圖3可以看出：當石英砂含量為65%時，試樣中的氣孔分布不均勻；當石英砂含量為70%時，試樣中的氣孔分布均勻，表面雜質顆粒較少，氣孔圓滑，燒結頸明顯；當石英砂含量為75%時，氣孔稍有變形，甚至破裂，并且有細小顆粒附著在氣孔的內表面，這是因為石英砂含量較高時，顆粒之間的黏結性較差，在燒結過程中熱應力的作用下顆粒易脫黏而附著在氣孔內表面，同時熱應力也會破壞氣孔。綜合考慮陶瓷的氣孔率、抗壓強度和顯微結構，石英砂含量為70%較為適宜。

圖2 不同石英砂含量陶瓷試樣的宏觀形貌(發泡劑含量0.8%，水料質量比1.0)Fig.2 Macromorphology of ceramic samples with different content of quartz sand (blowing agent content of 0.8%,water to material mass ratio of 1.0)

圖3 不同石英砂含量陶瓷試樣的微觀結構(發泡劑含量0.8%，水料質量比1.0)Fig.3 Microstructures of ceramic samples with different content of quartz sand (blowing agent content of 0.8%,water to material mass ratio of 1.0)

圖4 陶瓷試樣的氣孔率和抗壓強度隨水料質量比的變化曲線(石英砂含量70%，發泡劑含量0.8%)Fig.4 Porosity and compressive strength vs water to material mass ratio of ceramic samples (quartz sand content of 70%, blowing agent content of 0.8%)

2.2 水料質量比對陶瓷性能的影響

由圖4可以看出，隨著水料質量比的增大，試樣的氣孔率先增大后減小，抗壓強度先減小后增大,當水料質量比為1.0時，氣孔率最大，抗壓強度最小。水含量的增多使得漿料發泡更充分，但同時降低了漿料的黏度；黏度的降低使得氣泡在漿料中的遷移更容易，氣泡易向表面移動而形成開孔，導致漿料中保留下來的氣泡數量減少，氣孔率降低。

由圖5可以看出，隨著水料質量比的增大，試樣中的氣孔分布變得更均勻，裂紋減少。

由圖6可以看出：當水料質量比為0.9時，料漿發泡不完全，試樣中的氣孔比較雜亂，燒結頸不明顯；當水料質量比為1.0時，料漿發泡完全且實現均勻發泡，使得成型坯體的氣孔分布均勻，燒結后的氣孔比較圓滑，顆粒夾雜物較少；當水料質量比為1.1時，漿料過度發泡導致氣泡不穩定，在成型、燒結過程中氣泡容易被破壞，使得很多細小顆粒附著在氣孔內并發生連結，在保溫隔熱過程中熱量能夠通過傳導方式進行傳遞，對試樣的隔熱保溫性能不利。綜合考慮陶瓷的氣孔率、抗壓強度和顯微結構，水料質量比為1.0較為適宜。

2.3 發泡劑含量對陶瓷性能的影響

由圖7可知，試樣的氣孔率隨著發泡劑含量的增加而增大，抗壓強度則逐漸降低，當發泡劑質量分數為0.8%時，氣孔率為60%，抗壓強度為6.18 MPa。

圖5 不同水料質量比下陶瓷試樣的宏觀形貌(石英砂含量70%，發泡劑含量0.8%)Fig.5 Macromorphology of ceramic samples with different mass ratios of water to material (quartz sand content of 70%,blowing agent content of 0.8%)

圖6 不同水料質量比下陶瓷試樣的微觀結構(石英砂含量70%，發泡劑含量0.8%)Fig.6 Microstructures of ceramic samples with different mass ratios of water to material (quartz sand content of 70%,blowing agent content of 0.8%)

圖8 不同發泡劑含量下陶瓷試樣的宏觀形貌(石英砂含量70%，水料質量比1.0)Fig.8 Macromorphology of ceramic samples with different blowing agent content (quartz sand content of 70%,water to material mass ratio of 1.0)

圖7 陶瓷試樣的氣孔率和抗壓強度隨發泡劑含量的變化曲線(石英砂含量70%，水料質量比1.0)Fig.7 Porosity and compressive strength vs blowing agent content curves of ceramic samples (quartz sand content of 70%, water to material mass ratio of 1.0)

由圖8可以看出，當發泡劑含量為0.8%時，試樣中的氣孔數量最多,成型效果較差,但孔從上到下逐漸由小孔過渡到大孔，呈現較好的孔梯度結構。這是因為當發泡劑過量時，漿料過度發泡使得坯體內存在較多大氣泡，形成的氣孔壁較薄；在干燥時氣孔壁易破裂而形成更大的孔，甚至使坯體變形嚴重，燒結后陶瓷的成型性差。當發泡劑含量為0.2%時，試樣的成型效果較好，且保持了一定的氣孔率。但綜合考慮氣孔率、抗拉強度和微觀結構，發泡劑含量為0.8%較為適宜。

3 結 論

(1) 隨著石英砂含量的增加，陶瓷試樣的氣孔率增大，宏觀上呈現出一定的孔梯度結構；隨著水料質量比的增加，試樣的氣孔率先增后降，氣孔變得均勻，裂紋減少；隨著發泡劑含量的增加，氣孔率增大。抗壓強度與氣孔率呈現相反的變化規律。

(2) 綜合考慮氣孔率、抗壓強度、顯微結構等性能，在試驗條件下較佳原料配比為石英砂質量分數為70%，水料質量比為1.0，發泡劑質量分數為0.8%，制備得到石英質孔梯度陶瓷的抗壓強度為6.18 MPa，氣孔率為63.5%，孔形較好。

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