K2CO3和CaCO3對低溫制備SiC多孔陶瓷性能的影響

徐德刊 光 亮 彭文博

（江蘇久吾高科技股份有限公司，南京 211806）

0 引言

在化工、石油、冶金、電力及其它行業中，常產生高溫含塵氣體，隨著環保排放標準的不斷提高，對這些高溫煙氣進行氣固分離提出更高的要求。由于工作溫度高、氣體腐蝕性強等特點，常見的布袋除塵效果差。而SiC多孔陶瓷由于耐高溫、抗腐蝕、強度高、抗熱震性好，在高溫氣固分離有廣泛的應用，常見的是在空氣氣氛下燒結，以原位反應生成的莫來石、堇青石、SiO2等作為結合相，在低溫下將SiC顆粒牢固地黏結在一起，從而獲得低成本的 SiC多孔陶瓷。通過莫來石、堇青石等作為SiC的結合相，一般燒成溫度在1300～1500 ℃。為了進一步降低SiC多孔陶瓷的燒成溫度，有少量學者研究在更低溫度下制備SiC多孔陶瓷。Li通過添加燒結助劑V2O5，在1100 ℃低溫條件下制備了原位反應燒結SiC多孔陶瓷。Yang在1150 ℃以SDBS為助燒結劑在空氣中制備SiC多孔陶瓷。Zhu以硅樹脂為前驅體，在低于1100 ℃的溫度下制備了SiC多孔陶瓷。

本文選擇熔點低的K2CO3和CaCO3作為燒結助劑，K2CO3、CaCO3與SiC在空氣氣氛下氧化生成的SiO2在較低溫度下生成低共融相，促進SiC多孔陶瓷在較低溫度下燒成，從而制備出性能優異的SiC多孔陶瓷，可以用于高溫氣固分離。

1 實驗

1.1 實驗方法

以SiC(＞99%)、K2CO3(＞99.5%)和CaCO3(＞99.5%)為原料，按照如表1所述比例進行配比稱量，將原料與鋯球質量比為1：1加入到輥磨罐中，輥磨混合24 h后過篩，加入質量分數為10%的酚醛樹脂溶液造粒，經120 MPa干壓制成55*8*7 mm的長條生坯和直徑為40 mm的圓形生坯，將生坯置于電熱鼓風烘箱中80 ℃固化干燥，在500 ℃排膠2 h后，在空氣氣氛下1050～1300 ℃保溫3 h燒成。

表1 各組成配比

1.2 測試與表征

采用阿基米德排水法測定樣品的孔隙率，采用深圳三思試驗儀器有限公司的萬能試驗機(跨距為30 mm，載荷為0.5 mm/min)測試樣品三點抗彎強度，采用美國熱電公司的ARLVXTRA X射線衍射儀對樣品物相組成進行分析表征，采用達西定律測定氣體滲透率，采用場發射掃描電鏡對微觀形貌進行分析表征。

2 結果與討論

2.1 K2CO3和CaCO3添加量對抗彎強度和顯氣孔率影響

圖1和圖2分別為在空氣氣氛不同燒成溫度下K2CO3和CaCO3添加量對SiC多孔陶瓷的抗彎強度和顯氣孔率的影響。由圖可知，不添加K2CO3和CaCO3的樣品在1300 ℃強度很低、孔隙率很高，有掉粉現象，這是由于在此燒成溫度下，SiC原位氧化生成的SiO2不足以結合SiC顆粒，SiC顆粒松散堆積。隨著K2CO3和CaCO3添加量的增加，K2CO3、CaCO3以及SiC表面氧化生成的SiO2在1050 ℃開始生成低熔點結合相，促進了SiC顆粒之間的結合，因此抗彎強度提高和顯氣孔率降低。此外，K2CO3和CaCO3在較低溫度下分解釋放出二氧化碳可以提高樣品的孔隙率，兼具造孔作用。綜上可知，當K2CO3和CaCO3添加量分別為1 wt%時，在空氣氣氛下1100 ℃保溫3 h制備的樣品綜合性能較佳，抗彎強度為33.6 MPa，顯氣孔率為36.3%。

圖1 K2CO3和CaCO3添加量對SiC多孔陶瓷抗彎強度的影響

圖2 K2CO3和CaCO3添加量對SiC多孔陶瓷顯氣孔率的影響

2.2 K2CO3和CaCO3添加量對氣體滲透率的影響

圖3為不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃燒成的氣體滲透率，從圖中可以看出隨著K2CO3和CaCO3添加量從1wt%增加到4wt%，氣體透過率逐漸降低，這是由于隨著K2CO3和CaCO3添加量的增加，生成的液相越來越多(從圖5中可以看出)，當添加量達到4 wt%時，氣體滲透率急劇降低。氣體滲透率反映氣體分離效果，所以K2CO3和CaCO3添加量1 wt%和2 wt%為宜。

圖3 不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃燒成的氣體滲透率

2.3 不同K2CO3和CaCO3添加量對物相組成的影響

圖4為不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃燒結的XRD圖。從圖中可以看出，主晶相均為SiC和SiO2，未發現明顯的第二相，這是由于K2CO3和CaCO3的添加量較少，即使產生新相也難以通過XRD識別出來，也可能新相衍射峰跟主晶相衍射峰重合。

圖4 不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃燒成的XRD圖

2.4 不同K2CO3和CaCO3添加量對顯微結構的影響

圖5為不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃燒結的SEM圖。從圖中可以看出，當不添加K2CO3和CaCO3時，SiC顆粒只是堆積起來，顆粒之間沒有結合相，樣品粉化，沒有機械強度。隨著K2CO3和CaCO3添加量的增加，SiC顆粒之間開始有液相生成，當K2CO3和CaCO3的總添加量為4 wt%時，生成的液相較多，這就很好地解釋了氣體滲透率急劇下降的原因。根據相圖推測液相可能是K2CO3和CaCO3與SiC表面氧化生成的SiO2生成的三元低共融相，液相的生成加強了SiC顆粒之間的連接，從而使得SiC多孔陶瓷在1100～1200 ℃具有一定的機械性能。

圖5 不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃燒成的SEM圖

3 結論

通過研究了燒成溫度、K2CO3和CaCO3添加量對SiC多孔陶瓷的抗彎強度、顯氣孔率、氣體滲透率、相組成和顯微結構的影響，得出如下結論：

(1)添加二元復合燒結助劑K2CO3和CaCO3與SiC在空氣氣氛下氧化生成的SiO2在較低溫度下生成低共融相，促進SiC多孔陶瓷在1100 ℃～1200 ℃溫度下燒成。

(2)當K2CO3和CaCO3添加量分別為1 wt%和1 wt%時，在空氣氣氛下1100 ℃保溫3 h制備的樣品綜合性能較佳，抗彎強度為33.6 MPa，顯氣孔率為36.3%，氣體滲透率為728 m3/(m2·h·KPa)。