礬土基合成莫來石質(zhì)多孔陶瓷的研制

況慧蕓 孫國梁

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料學(xué)院，景德鎮(zhèn)：333001）

礬土基合成莫來石質(zhì)多孔陶瓷的研制

況慧蕓 孫國梁

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料學(xué)院，景德鎮(zhèn)：333001）

采用發(fā)泡法與添加造孔劑相結(jié)合，以高鋁礬土和高嶺土為骨料，長石作熔劑，并添加適量的煤、MgSO4和CaSO4作發(fā)泡劑，煤為造孔劑，PVA為粘結(jié)劑，干壓成型后于1500℃左右燒成制備了莫來石質(zhì)多孔陶瓷。制得的多孔陶瓷莫來石生成量高達90%以上，其氣孔分布均勻，孔徑分布范圍為100～300μm；氣孔率高達52.3%（閉孔氣孔率為38.7%，開孔氣孔率為13.6%）；體積密度為0.9731g/cm3；抗壓強度為25.1317MPa；導(dǎo)熱系數(shù)為0.143W/(m·K)的多孔陶瓷。

多孔陶瓷，發(fā)泡法，莫來石

1 引言

作為一種新型陶瓷材料，多孔陶瓷材料越來越受到人們的重視。多孔陶瓷是含有大量開孔貫通氣孔的陶瓷體[1]，它是由骨料、粘合劑和增孔劑等組分，根據(jù)顆粒堆積原理，采用傳統(tǒng)或新的成型工藝經(jīng)高溫?zé)贫傻?。多孔陶瓷是一種有許多優(yōu)異性能的新型材料，其氣孔率高達70%～90%，且孔道呈互相連接的迷宮式三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔體。多孔莫來石陶瓷具有低的膨脹系數(shù)、良好的抗熱震性和低的熱導(dǎo)率，在高溫下具有好的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性。但是要作為隔熱材料，必須進一步降低其導(dǎo)熱系數(shù)，制備多孔莫來石是有效降低導(dǎo)熱系數(shù)的方法。用莫來石為原料制作多孔陶瓷不僅可以進一步降低莫來石材料的熱導(dǎo)率，而且可以降低莫來石陶瓷的熱膨脹系數(shù)，提高莫來石材料抗蠕變的性能和抗熱震性，使莫來石可以在對材料的抗熱震性要求比較高的環(huán)境下使用[2]。

2 實驗

2.1 實驗原料（見表1）

2.2 實驗配方及工藝流程

在大量實驗基礎(chǔ)上優(yōu)選出合成莫來石量配方：高鋁礬土與高嶺土質(zhì)量配比為7∶3，外加2%礦化劑滑石和2%碳酸鈣，燒成溫度分別為 1500℃，造孔劑為煤粉、CaSO4、MgSO4，選用15，20，25，30進行四組實驗。制備工藝流程如下：

原料加工→配料→濕法球磨→干燥→成型→燒成→性能測試

2.3 性能測試及結(jié)構(gòu)分析

在多孔陶瓷試樣制備完成后進行阿基米德原理氣孔率測試；用WOW-10試驗機測得抗壓強度；以及多孔陶瓷的熱導(dǎo)率系數(shù)測試等。

表1 實驗原料Tab.1 The experimental materials

3 結(jié)果與討論

3.1 造孔劑含量與多孔陶瓷性能的關(guān)系

樣品燒成后氣孔率測試結(jié)果如圖1。從實驗結(jié)果可看到造孔劑占骨料25%樣品的氣孔率最高，氣孔率達到52.1%。當(dāng)造孔劑占骨料分?jǐn)?shù)增加時，樣品的氣孔率也隨之增加，而當(dāng)造孔劑占骨料分?jǐn)?shù)升至30%時，即樣品的氣孔率開始下降。這是因為在造孔劑含量不多時，隨著含量的增加樣品的氣孔率也隨之提高，當(dāng)造孔劑含量高達一定程度時，添加的造孔劑中的Ca、Mg提高樣品的燒成溫度，當(dāng)燒成溫度提高時，原料顆粒未充分熔融，導(dǎo)致造孔劑也不能充分揮發(fā)氣體而留下空隙使原料成孔。氣孔率下降還有一個因素是造孔劑含量的提高，在成型的樣品壓力一定的情況下，骨料與造孔劑增多，即燒成前樣品的密度提高，也能導(dǎo)致燒成時熔融物無多余的空隙保留，故氣孔率下降。

3.2 成型壓力與多孔陶瓷性能的關(guān)系

不同壓力樣品的氣孔率與抗壓強度如表2。從表2可以看到，隨著成型壓力的增加，試樣的總氣孔率先增加后減少，而體積密度的變化趨勢則相反。成型壓力較小時，如Ⅱ－7－1試樣，坯體中原料顆粒的間距較大，造孔劑分解出的氣體不能被有效的封閉在試樣中，造成了總氣孔率降低，體積密度最大；隨著成型壓力增大，坯體致密度增加，造孔劑分解的氣體被有效地封閉在試樣中，使得試樣總氣孔率不斷增加，體積密度減少，如Ⅱ－7－2和Ⅱ－7－3試樣。然而，當(dāng)成型壓力過大時，如用Ⅱ－7－4試樣，雖然造孔氣體被完全封閉在試樣中，但因為顆粒之間粘結(jié)過強，抵抗氣體膨脹的作用力太大，使氣泡難以生長，造成氣孔率降低，試樣體積密度增大。

從表2也可以看到，多孔陶瓷的強度與其密度有相同的變化趨勢，即其密度增大，其強度也增大，但不是所有樣品都遵從這樣的變化規(guī)律，如將Ⅱ－7－1和Ⅱ－7－4樣品比較可知，前者的體積密度比后者的大，但前者的抗壓強度卻比后者的小。究其原因是因為前者的閉孔氣孔率與總氣孔率的比值（73.5%）比后者的(73.8%)小，閉孔氣孔的抗壓強度比開孔的大。

在一定壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的增加，燒結(jié)體的密度提高，當(dāng)壓力超過一定范圍之后，瓷坯的相對密度呈下降趨勢。這可能是因為超過一定范圍后等離子體減弱的原因。

3.3 體積密度與多孔陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

從實驗試樣中選取樣品Ⅱ－7－4、Ⅱ－4－2、Ⅱ－6－2、Ⅱ－6－1（氣孔率分別為34.3%，38.7%，49.8%，52.3%），對應(yīng)的體積密度分別為1.4345g/cm3,1.2237g/cm3，1.1715g/cm3，0.9731g/cm3，將它們進行熱導(dǎo)率測定，結(jié)果如圖2。

從圖中可以看到，隨著多孔陶瓷體積密度的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)也相應(yīng)的增大。這是由于多孔陶瓷的體積密度越小，完全致密的固體部分也少，因此固體的傳導(dǎo)對多孔陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻相應(yīng)也減少；相反它的氣孔率越大，導(dǎo)致孔壁表面積增加，孔壁對輻射起反射作用，減少了熱傳播中的對流，使輻射作用對導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻也減少。因此體積密度小的多孔陶瓷的導(dǎo)熱能力降低，使得其導(dǎo)熱系數(shù)減少。

表2 成型壓力對試樣性能的影響Tab.2 The effect of forming pressure on the properties of the samples

3.4 成孔劑的粒徑與多孔陶瓷氣孔率、氣孔分布及性能的關(guān)系

不同成孔劑粒徑樣品的氣孔率測試結(jié)果如圖3，抗壓強度測試結(jié)果如圖4。

從圖3可以看出，樣品Ⅱ－2－3的氣孔率最高，與前面實驗結(jié)果的氣孔率幾乎相同。而當(dāng)細(xì)度減少時，樣品的氣孔率也隨之降低。試樣的粒度愈小愈有利于燒結(jié)，且燒結(jié)試樣的體積密度有所提高。這主要與以下因素有關(guān)：(a)試樣粒度減小，比表面積增大。反應(yīng)界面和擴散界面增加，從而促進燒結(jié)；(b)粒度減小，結(jié)構(gòu)缺陷愈多，促進愈大；(c)粒度減小，按威爾表面學(xué)說，鍵強分布曲線變平，弱鍵比率增加，反應(yīng)和擴散能力增加；另外，粒度影響也直接反應(yīng)在動力學(xué)方程的速度常數(shù)項K(K與顆粒的半徑平方呈反比關(guān)系)上。因此，當(dāng)試樣熔融溫度低，生成的液相把主料顆粒粘結(jié)起來。隨著溫度的升高，造孔劑開始分解，產(chǎn)生氣體，而坯體產(chǎn)生的液相把氣體包裹起來，而這時緊密粘結(jié)的顆粒也越來越多，因此閉口氣孔增多，多孔陶瓷的總氣孔率降低。氣孔率和閉口氣孔率都在降低，閉口氣孔減少比總氣孔率快。

從圖4中可以看到，隨著成孔粒徑的增大，試樣的抗壓強度也在減少。隨著溫度的升高，造孔劑開始分解，產(chǎn)生氣體，而坯體產(chǎn)生的液相把氣體包裹起來，而這時緊密粘結(jié)的顆粒也越來越多，因此即使有更多的氣體的生成之前顆粒已經(jīng)將其緊密包裹。因此成孔劑顆粒越小時，坯體致密度增加，閉口氣孔增多，多孔陶瓷的總氣孔率降低，氣孔孔壁增厚，多孔陶瓷的強度也將隨之增大。

4 結(jié)果

（1）采用廉價的高鋁礬土和高嶺土兩種主要原料，添加適量礦化劑、添加劑等，在1500℃左右的溫度下合成莫來石最佳。

（2）添加礦化劑比例以2%CaCO3和2%滑石合成莫來石的量最高合適。

（3）加入不同濃度的PVA溶液的坯體，只要坯體能夠壓力成型，PVA溶液的濃度對泡沫陶瓷的性能影響很小。

（4）成孔劑顆粒越小時，坯體致密度增加，閉口氣孔增多，多孔陶瓷的總氣孔率降低，氣孔孔壁增厚，多孔陶瓷的強度也將隨之增大。

1 劉富德,陳森鳳,張書政.多孔陶瓷材料的發(fā)展?fàn)顩r.材料導(dǎo)報,2000,14:6

2 趙光巖,饒平根,呂明.莫來石及多孔莫來石的研究和應(yīng)用.中國陶瓷,2006(9)

PREPARATION OF POROUS MULLITE CERAMICS WITH BAUXITE

Kuang Huiyun Sun Guoliang
(School of Material Sciences and Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333001)

Porous mullite ceramics was prepared by foaming,pore forming agents doping,dry pressing and calcining at about 1500℃,using high quality bauxite and kaolin as aggregates,feldspar as a flux,magnesium sulfate and calcium sulfate as foaming agents,coal as a pore forming agent,and polyvinyl alcohol as an agglomerant.The porous mullite ceramics had many good properties:the mullite quantity was up to 90%,the pore size distribution was from 100 to 300 μm,the total porosity reached 52.3% (closed and open porosities were 38.7%and 13.6%respectively),the bulk density was 0.9731g/cm3,the compressive strength was 25.1317MPa and the thermal conductivity coefficient reached 0.143W/(m·K).

porous ceramics,foaming method,mullite

on Feb.13,2010

TQ174.75

A

1006-2874（2010）03-0013-04

2010-02-13

況慧蕓，女，E-mail:khy8120wl@126.com

Kuang Huiyun,female,E-mail:khy8120wl@126.com