勃母石溶膠結合氧化鋁-莫來石多孔陶瓷的制備

孫煦東 李 婕

內蒙古建筑職業技術學院 內蒙古呼和浩特010070

莫來石多孔陶瓷具有抗熱震性好，高溫蠕變小，低熱導率和低熱膨脹率，抗化學腐蝕性好等特點［1］，廣泛應用于保溫隔熱、耐火材料、環境生物、化學催化劑載體等領域［2-4］。

李和禎等［5］通過 La2O3的摻雜生成了La1.66Al23.08O37.04相，有助于提高莫來石陶瓷的強度。楊孟孟等［6］通過添加淀粉和AlF3原位生成莫來石晶須，制備了自鎖結構的多孔陶瓷。石宇恒等［7］以聚苯乙烯泡沫球為造孔劑，采用振動澆注成型，當聚苯乙烯泡沫球加入量為漿料總體積的50%時，1 400℃的高溫抗折強度高達2.64 MPa。王少陽等［8］研究了以核桃殼粉為造孔劑，結合氧化鋁溶膠浸漬法制備了多孔氧化鋁陶瓷（PACs）。

納米級勃姆石溶膠作為一種分散均勻穩定的膠體可應用于發泡法中，前期能夠使料漿中的顆粒在體系中均勻分散，保持料漿的穩定性，不會使料漿發生團聚沉淀。此外，勃姆石（γ-AlOOH）是γ-Al2O3的前驅體，受熱分解后可完全轉化為α-Al2O3參與合成莫來石，起到改善多孔陶瓷耐壓強度的作用。

基于以上研究現狀，在本研究中，擬采用發泡法制備勃母石溶膠結合氧化鋁-莫來石多孔陶瓷，確定發泡劑（SDS）和勃母石溶膠的最優摻量，探究了燒制溫度對氧化鋁-莫來石多孔陶瓷顯微結構的影響。

1 試驗

1.1 原料

本試驗以α-Al2O3微粉（w（Al2O3）=99.5%，d50=0.5μm）和SiO2微粉（w（SiO2）=99%，d50=0.4 μm）為原料，聚丙烯酰胺作為分散劑，十二烷基硫酸鈉（SDS）作為發泡劑，CaSO4作為固化劑，勃姆石（γ-AlOOH）溶膠（膠體粒徑約為20 nm）作為結合劑。

1.2 試樣制備

本研究中各組分配比（w）擬定為：去離子水15%，聚丙烯酰胺1%，SiO2微粉12%，α-Al2O3微粉72%。按比例稱量，機械攪拌15 min，放入球磨罐中濕法球磨12 h，轉速為200 r·min-1，獲得具有一定流動性的漿料。隨后，將勃姆石溶膠按設定摻量（w）1%、2%、4%、5%、6%、8%（外加）加入，同時將發泡劑（SDS）按設定摻量（w）1%、1.5%、2%、2.5%、3%、5%（外加）加入到球磨好的料漿中，然后加入0.95%（w）的CaSO4，使料漿進行20 min酯化反應。將酯化反應好的料漿再次攪拌均勻后注入到模具中，使其在室溫條件下放置12 h，然后經110℃干燥24 h后脫模制得陶瓷坯體。最后，采用GXL-05型高溫燒結爐分別于1 300、1 350、1 400、1 450、1 500、1 600℃保溫2 h燒制，升溫速率為5℃·min-1。

1.3 試樣表征

使用XRD-7000S/L型X射線衍射儀（XRD）分析經1 350、1 400、1 450、1 500℃燒制試樣的物相組成；使用Hitachi-SU8010型冷場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）觀察經1 400、1 450、1 500、1 600℃燒制試樣的微觀形貌；依據GB/T 1966—1996測定試樣的顯氣孔率和體積密度；依據GB/T 4740—1999測定試樣的耐壓強度；使用TPMBE型平板導熱儀，依據GB/T 10294—2008測定試樣的熱導率（測試熱面溫度為300℃）。

2 結果與討論

2.1 最優勃母石溶膠摻量的確定

發泡劑（SDS）的摻量為3.0%（w）、燒制溫度為1 400℃時，勃姆石溶膠摻量對試樣顯氣孔率和耐壓強度的影響如圖1所示。由圖1可知，試樣的顯氣孔率隨著勃母石溶膠摻量的增加逐漸減小，耐壓強度逐漸增大。勃母石溶膠摻量（w）從1%增加到8%，顯氣孔率下降了6.7%，耐壓強度升高了84%。在發泡劑（SDS）摻量一定的條件下，由于勃母石加熱分解產生的Al2O3能夠和體系中的SiO2反應生成莫來石相，致使試樣結構致密化，耐壓強度增大。當勃母石溶膠摻量為5%（w）時，顯氣孔率為82.7%，耐壓強度為5.7 MPa，性能較好。

圖1 勃母石溶膠摻量對試樣性能的影響Fig.1 Influence of bobolite sol addition on properties of samples

2.2 最優發泡劑（SDS）摻量的確定

勃姆石溶膠的摻量（w）為5%、燒制溫度為1 400℃時，發泡劑（SDS）的摻量對試樣顯氣孔率和耐壓強度的影響如圖2所示。

圖2 發泡劑（SDS）摻量對試樣性能的影響Fig.2 Effect of foaming agent（SDS）addition on sample performance

由圖2可知，試樣的顯氣孔率隨著發泡劑（SDS）摻量的增加先增加后減小，耐壓強度先減小后增加。當發泡劑摻量較小時，顯氣孔率較小而耐壓強度較大。隨著發泡劑摻量的增加，發泡作用愈發明顯，導致顯氣孔率大幅增加而耐壓強度隨之減小。當發泡劑摻量為2.5%（w）時，顯氣孔率達最大，為82.7%；而耐壓強度最小，為5.7 MPa。

2.3 最優燒制溫度的確定

根據前面試驗得出的最優條件，以發泡劑（SDS）的摻量為2.5%（w）、勃姆石溶膠的摻量為5%（w），探究燒制溫度對試樣顯氣孔率和耐壓強度的影響，結果如圖3所示。由圖3可知，試樣的耐壓強度隨著燒制溫度升高先增大后減小，而顯氣孔率卻一直下降。因為，當燒制溫度達1 300℃時，發泡劑產生的氣體量已達最大值。當燒制溫度高于1 450℃時，材料發生過燒現象，反而導致耐壓強度降低。因此，確定最優燒制溫度為1 450℃。

圖3 不同溫度燒后試樣的性能Fig.3 Properties of samples fired at different temperatures

2.4 不同燒制溫度對物相的影響

以發泡劑（SDS）的摻量為2.5%（w）、勃姆石溶膠的摻量為5%（w），對不同燒制溫度制備試樣的物相組成進行分析，結果如圖4所示。

圖4 不同燒制溫度制備試樣的XRD圖譜Fig.4 XRD of samples prepared at different temperatures

由圖4可知，在所測的多孔陶瓷試樣中均存在剛玉相，而方石英相只存在于1 350℃燒制的試樣中。由于勃母石（γ-AlOOH）溶膠是γ-Al2O3的前驅體，當勃母石被加熱至1 100 ℃時，γ-AlOOH 轉變為γ-Al2O3。γ-Al2O3不穩定，隨著溫度繼續升高，大部分γ-Al2O3會轉化成α-Al2O3剛玉相。溫度升至1 350℃時，γ-Al2O3相已全部轉化為單一的α-Al2O3剛玉相。這也正是本研究選勃母石溶膠作為結合劑的原由，它前期可以起到穩定料漿的作用，熱解后為單一的α-Al2O3，參與莫來石生成反應，沒有任何雜質引入體系。燒制溫度為1 350℃時，莫來石基本未形成。當燒制溫度升至1 400℃時，體系中的α-Al2O3剛玉相與方石英相發生原位反應生成莫來石相，說明勃姆石的存在對莫來石相的生成起到一定的促進作用。燒制溫度繼續升高，試樣中的方石英相逐漸消失。在1 450和1 500℃燒制的試樣中，物相由剛玉相和莫來石相組成。

2.5 不同燒制溫度對顯微形貌的影響

圖5為發泡劑（SDS）摻量為2.5%（w）、勃姆石溶膠摻量為5%（w）時，經1 400、1 450、1 500、1 600℃燒制后試樣的SEM照片。

由圖5（a）可知：當燒制溫度為1 400℃時，試樣表面發泡現象嚴重，發泡劑產生的氣體量已達最大值。在表面張力作用下，高壓氣體逸出體系時會形成孔徑較小的氣孔，但發泡效果不理想。由圖5（b）可知：當燒制溫度為1 450℃時，粉料基質反應進行的均勻、徹底，發泡劑（SDS）發生氧化反應分解釋放出氣體，形成尺寸適中且分布均勻的閉氣孔，此時發泡效果最為理想。當燒制溫度達1 600 ℃時（見圖5（d）），材料體系內的壓力持續增大到極限狀態，導致大部分閉孔氣泡破裂，發泡孔徑明顯變大，此時發泡過度。

圖5 不同溫度燒制試樣的SEM照片Fig.5 SEM for samples fired at different temperatures

2.6 不同燒制溫度對熱導率的影響

勃姆石（γ-AlOOH）摻量為5%（w）、發泡劑（SDS）的摻量為2.5%（w）時，不同溫度燒制試樣的熱導率如圖6所示。

圖6 不同溫度燒制試樣的熱導率Fig.6 Thermal conductivity of porous ceramics fired at different temperatures

由圖6可知，熱導率隨著燒制溫度的升高逐漸增大。1 450℃燒制的試樣在300℃熱面條件下，其熱導率為0.087 W·（m·K）-1。

綜上所述，勃姆石溶膠摻量為5%（w）、發泡劑（SDS）的摻量2.5%（w）、燒制溫度1 450℃為最優制備條件。在最優條件下制備的氧化鋁-莫來石多孔陶瓷試樣的耐壓強度為6.7 MPa、顯氣孔率為79.5%、300℃下的熱導率為0.087 W·（m·K）-1。

3 結論

（1）隨著勃母石溶膠摻量的增加，試樣的顯氣孔率逐漸減小，耐壓強度逐漸增大。當勃母石溶膠摻量為5%（w）時，顯氣孔率與耐壓強度形成較好的對應關系。此外，勃姆石的摻加對莫來石相的生成起到一定的促進作用。

（2）當燒制溫度為1 450℃時，體系內形成尺寸適中且分布均勻的閉氣孔，此時發泡效果最為理想；當燒制溫度達1 600℃時，大部分閉孔氣泡破裂，發泡孔徑明顯變大，此時發泡過度。

（3）勃姆石溶膠摻量為5%（w）、發泡劑（SDS）的摻量2.5%（w）、燒制溫度1 450℃為最優制備條件，此時，多孔陶瓷試樣的耐壓強度為6.7 MPa、顯氣孔率為79.5%、300℃下的熱導率為0.087 W·（m·K）-1。