Al2O3基泡沫陶瓷燒結(jié)工藝的研究

陳軍超, 任鳳章

(1.中國十九冶成都建設(shè)有限公司,四川 成都 610091;2.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽 471003)

0 前 言

泡沫陶瓷是一種造型上像泡沫狀的多孔陶瓷,它是繼普通多孔陶瓷、蜂窩多孔陶瓷之后發(fā)展起來的第三代多孔陶瓷制品[1-2].這種高技術(shù)陶瓷具有三維連通孔道,同時(shí)對其形狀、孔尺寸、滲透性、表面積及化學(xué)性能,均可進(jìn)行適度調(diào)整變漿及混凝土外加劑的設(shè)計(jì)研究和生產(chǎn)管理.制品就像是“被鋼化了的泡沫塑料”或“被瓷化了的海綿體”[3].作為一種新型的無機(jī)非金屬過濾材料,泡沫陶瓷具有重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、再生簡單、使用壽命長及過濾吸附性良好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、輕工、食品、環(huán)保和節(jié)能等領(lǐng)域.近年來,泡沫陶瓷的應(yīng)用又?jǐn)U展到航空、電子、醫(yī)用材料及生物化學(xué)等領(lǐng)域[4].本文主要研究了燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間對陶瓷強(qiáng)度的影響,旨在得出合適的燒結(jié)工藝.

1 試驗(yàn)原料及方法

α-Al2O3粉作為主要原料,純度≥99%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),平均粒度為40 μm;粘土作為流變劑,磷酸二氫鋁和CMC作為粘結(jié)劑.此外,采用Cr2O3、SiO2微粉、Fe2O3、CeO2和TiO2微粉作為外加劑,泡沫陶瓷前軀體選用35ppi的聚氨酯泡沫,尺寸為50 mm×50 mm×40 mm.通過有機(jī)泡沫浸漬法制備足夠的試樣備用.采用Shimadzu AG-I250KN型精密萬能試驗(yàn)機(jī)測試泡沫陶瓷成品的抗壓強(qiáng)度,用日產(chǎn)JSM-5610LV型掃描電鏡觀察其斷口形貌,采用D8 ADVANCE德國布魯克X射線衍射儀對泡沫陶瓷進(jìn)行物相分析.

2 聚氨酯泡沫熱重分析

聚合物受熱以后,化學(xué)鏈?zhǔn)艿狡茐臄嗔?從而使聚合物發(fā)生解聚反應(yīng),產(chǎn)生氣體、聚合物殘?jiān)退槠?圖1為某泡沫廠生產(chǎn)聚氨酯泡沫的TG-DSC曲線.由圖1可知,聚氨酯泡沫的熱分解主要發(fā)生在240～440 ℃之間,在440～500 ℃和500～600 ℃之間呈微小失重.失重是由于聚氨酯泡沫塑料燃燒或熱分解時(shí)逸出二氧化碳、一氧化碳、氰化氫和甲醛等氣體.當(dāng)溫度超過700 ℃以后,重量幾乎不再發(fā)生變化.由于聚氨酯海綿在分解過程中產(chǎn)生大量氣體,氣體在溢出過程中對陶瓷坯體產(chǎn)生應(yīng)力,會造成坯體的破壞,乃至坯體的坍塌.因此,在240～600 ℃的溫度段,應(yīng)緩慢升溫,以保證聚氨酯海綿在分解過程中不導(dǎo)致坯體的破壞,又因?yàn)闋t子內(nèi)部溫度的不均勻性,所以應(yīng)在燒結(jié)點(diǎn)保溫.

圖1 有機(jī)泡沫體的TG/DSC曲線Fig.1 Curves of TG/DSC for polymeric sponge

3 燒結(jié)工藝的制定

在泡沫陶瓷過濾器的燒成過程中,主要有兩個重要階段,第一階段是低溫階段即有機(jī)物的揮發(fā)階段,第二階段是高溫階段，即素坯的收縮與強(qiáng)度的形成階段.

第一階段的關(guān)鍵是控制有機(jī)泡沫揮發(fā)階段的升溫制度.由圖1可知，聚氨酯泡沫的揮發(fā)主要發(fā)生在240～600 ℃之間,所以說在這一階段應(yīng)緩慢升溫，使有機(jī)泡沫體緩慢而充分地?fù)]發(fā)排除,并在600 ℃時(shí)保溫一段時(shí)間，使有機(jī)物充分氧化揮發(fā).如果此階段升溫過快,會因有機(jī)物劇烈氧化在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，造成坯體開裂和粉化[5],甚至?xí)斐膳黧w的崩塌.所以,此階段的升溫速度應(yīng)保持在1 ℃/min以下.第二階段高溫階段,也就是燒結(jié)期.此階段可適當(dāng)?shù)丶涌焐郎厮俾?使制品快速燒結(jié).但升溫速率也應(yīng)適當(dāng)控制,防止塌陷.根據(jù)這些因素,特制定泡沫陶瓷過濾器燒結(jié)工藝如圖2所示.

圖2 燒結(jié)工藝示意圖Fig.2 Sketch map of sintering process

4 燒結(jié)溫度對抗壓強(qiáng)度的影響

圖3(見下頁)為燒結(jié)溫度對泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度的影響.從圖3中可以看出，當(dāng)燒成溫度從1 300～1 400 ℃時(shí)，泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)度不斷提高,當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1 400 ℃時(shí),抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大,為2.71 MPa;當(dāng)燒結(jié)溫度大于1 400 ℃時(shí),泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度開始下降.這是因?yàn)闊Y(jié)溫度太低時(shí)坯體不夠致密,成瓷率較低；當(dāng)燒結(jié)溫度太高時(shí)液相量增多,強(qiáng)度下降,嚴(yán)重時(shí)泡沫陶瓷出現(xiàn)軟化變形,甚至?xí)?

圖3 燒結(jié)溫度對泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of sintering temperature on the compressive strength

圖4為試樣在不同燒結(jié)溫度下的微觀結(jié)構(gòu).圖4(b)與圖4(a)相比,晶粒形狀相對均勻,晶粒與晶粒之間被一層層玻璃相包裹著,組織結(jié)構(gòu)較圖4(a)致密.玻璃相是陶瓷坯體中的一部分物質(zhì)在高溫下形成熔體,冷卻過程中原子、離子或分子被“凍結(jié)”成非晶態(tài)固體.它存在于晶粒與晶粒之間,起著膠黏作用.當(dāng)存在少量玻璃相時(shí),會產(chǎn)生一定液相,使制品致密度提高,從而提高制品強(qiáng)度.在圖4(c)中，幾乎看不到細(xì)小的晶粒存在,組織中有大量的玻璃相存在.由于玻璃相導(dǎo)熱系數(shù)λ較晶相低,在溫度急劇變化時(shí)泡沫陶瓷產(chǎn)生的熱應(yīng)力不能得到及時(shí)緩解,對泡沫陶瓷的抗熱震性產(chǎn)生不好的影響;另外，過多的玻璃相會破壞制品的結(jié)構(gòu),減小了制品的致密度,從而導(dǎo)致了抗壓強(qiáng)度的下降.

圖4 泡沫陶瓷的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photograph of foam ceramic

5 保溫時(shí)間對抗壓強(qiáng)度的影響

高溫?zé)Y(jié)時(shí),為使泡沫陶瓷坯體內(nèi)部物理化學(xué)變化進(jìn)行得更加完全,促使陶瓷坯體的組織結(jié)構(gòu)趨于均一,盡量減小高溫窯爐內(nèi)部各處的溫差,在升溫的最后階段采取高溫保溫措施是非常重要的.保溫時(shí)間是指在燒成的最高溫度下,制品的焙燒時(shí)間.當(dāng)燒結(jié)溫度為1 400 ℃時(shí),保溫時(shí)間對泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示.從圖5中可以看出,隨著保溫時(shí)間的延長,泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)度明顯增加,當(dāng)保溫時(shí)間為3 h時(shí),泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大,為2.71 MPa.這是因?yàn)楸貢r(shí)間不足時(shí),陶瓷坯體尚未完全燒結(jié),組織結(jié)構(gòu)未足夠致密,所以強(qiáng)度較低;當(dāng)保溫時(shí)間足夠長時(shí),陶瓷坯體得到完全燒結(jié),材料里外的物理化學(xué)變化更趨完全,組織結(jié)構(gòu)亦趨于均一,所以陶瓷的抗壓強(qiáng)度增加.但之后繼續(xù)延長坯體的保溫時(shí)間,強(qiáng)度無明顯變化.

圖5 保溫時(shí)間對泡沫陶瓷抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of holding time on the compressive strength

6 燒結(jié)試樣的XRD分析

圖6為不同燒結(jié)溫度下試樣的XRD圖譜.從圖6中可以看出,試樣主要含有氧化鋁和莫來石相,隨著試樣燒結(jié)溫度的升高,試樣中的莫來石含量增加.試樣中出現(xiàn)莫來石,可能是由于原料中的SiO2和Al2O3會發(fā)生反應(yīng)3Al2O3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2,生成了莫來石.莫來石具有熔點(diǎn)高、高溫蠕變率低、熱膨脹系數(shù)小、抗侵蝕性強(qiáng)以及抗熱震性好等良好的高溫性能,這樣莫來石的出現(xiàn),在一定程度上提高了氧化鋁基泡沫陶瓷過濾器的高溫使用性能.

圖6 不同燒結(jié)溫度下試樣的XRD圖譜Fig.6 XRD spectra of samples in different sintering temperatures

7 結(jié) 論

通過對泡沫陶瓷燒結(jié)工藝的研究,制定了合適的燒結(jié)工藝制度.燒結(jié)溫度對泡沫陶瓷的強(qiáng)度影響較大,本試驗(yàn)的最佳燒結(jié)溫度為1 400 ℃,保溫時(shí)間為3 h,可得到抗壓強(qiáng)度為2.71 MPa的細(xì)孔徑氧化鋁基泡沫陶瓷過濾器.

參考文獻(xiàn):

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