氧化鋯泡沫陶瓷過濾板的制備與性能研究

曾小軍，劉維良

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

氧化鋯泡沫陶瓷過濾板的制備與性能研究

曾小軍，劉維良

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

以氧化鋯(ZrO2)粉為主要原料，氧化鋁(Al2O3)粉和氧化釔(Y2O3)粉為燒結(jié)助劑，采用有機泡沫浸漬工藝制備出高性能氧化鋯泡沫陶瓷過濾板。研究了燒成溫度和保溫時間對樣品容重、抗熱震性和抗壓強度的影響。采用萬能試驗機、綜合熱分析儀、X射線衍射儀、掃描電鏡等對樣品性能進行了表征。實驗結(jié)果表明，當燒成溫度為1580 ℃，保溫時間為120 min時，制備的氧化鋯泡沫陶瓷過濾板性能最佳，其容重為0．452 g/cm3，抗熱震性為12次，抗壓強度為1．56 MPa。

氧化鋯；泡沫陶瓷；陶瓷過濾板；性能

0 引 言

泡沫陶瓷是三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，具有開口氣孔率高、過濾面積大、過濾效率高、熱穩(wěn)定性好、抗金屬液沖擊能力強等特點[1]。使其在過濾器[2]、催化劑載體、吸音隔熱材料[3]、布氣材料、生物材料等方面作用顯著，廣泛應(yīng)用于節(jié)能、環(huán)保、食品、石油、冶煉、制藥、生物醫(yī)學等各種領(lǐng)域[4]。但目前泡沫陶瓷普遍存在強度低、氣孔易堵塞等問題。ZrO2具有熔沸點高、硬度大、熱導率低、熱穩(wěn)定性好和高溫蠕變小等特性[5]。此外，ZrO2的馬氏體相變可起到相變增韌、微裂紋增韌和彌散增韌等[6]增韌效果，可極大地提高陶瓷的韌性和強度。將ZrO2材料優(yōu)良的性能引入泡沫陶瓷，對于提高泡沫陶瓷的韌性和強度意義重大。

1 實 驗

1.1 原 料

ZrO2粉、Al2O3粉、Y2O3粉、氫氧化鈉(NaOH)和羧甲基纖維素(CMC)均為化學純；聚乙烯醇(PVA)濃度10%，硅溶膠濃度50%；滑石粉、木質(zhì)素磺酸鈣和膨潤土均為工業(yè)純。

1.2 樣品制備

漿料按ZrO2∶Al2O3∶Y2O3∶滑石∶硅溶膠∶膨潤土∶PVA∶木質(zhì)素磺酸鈣為60∶20∶3．2∶4∶10∶2∶0．5∶0．3的重量配比稱量后球磨，球磨后的漿料過250目篩。先用8wt．%的NaOH溶液浸泡聚氨酯泡沫4 h，沖洗后用2wt．%的CMC溶液浸泡聚氨酯泡沫3 h，然后將預處理的聚氨酯泡沫浸漬過篩后的漿料，室溫下涼干后90 ℃烘干，最后在高溫燒結(jié)爐中1540 ℃、1560 ℃、1580 ℃、1600 ℃，保溫60 min、90 min、120 min、150 min燒制而成。

1.3 性能測試

采用西安力創(chuàng)儀器有限公司W(wǎng)DW-10型萬能試驗機測樣品抗壓強度，并用德國Netzsch公司STA449C型綜合熱分析儀對樣品進行差熱分析(DSC)，采用德國Bruker公司D8-Advance型X射線衍射儀(XRD)對樣品進行物相分析，采用日本JEOL公司JSM-6700F型掃描電鏡(SEM)觀察樣品的表面孔筋形貌。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 DSC差熱分析

圖1為樣品的DSC曲線。從圖1可知，在924．3 ℃和1322．4 ℃處有放熱峰，在1130．6 ℃和1360．5 ℃處有吸熱峰。924．3 ℃處較弱的放熱峰是由于燒結(jié)體中有少量的亞穩(wěn)態(tài)t-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)m-ZrO2。由圖2的XRD圖譜知燒結(jié)體中含有大量t-ZrO2相，而m-ZrO2相較少，這表明Y2O3有穩(wěn)定t-ZrO2的作用。這是由于晶格中Zr4+被摻入的Y3+所取代，氧空位提供了電荷補償，晶格中原有陽離子被外來陽離子取代之后，會抑制晶格的扭變，起到穩(wěn)定的作用。1130．6 ℃處明顯的吸熱峰是由于在此溫度下所添加的燒結(jié)助劑Al2O3和Y2O3相互作用形成釔鋁石榴石低共熔物，加上滑石粉的助溶效果，使燒結(jié)體中產(chǎn)生液相；1322．4 ℃處的放熱峰是由于燒結(jié)體中有固相析出而產(chǎn)生的；1360．5 ℃處較弱的吸熱峰是由于燒結(jié)體中存在的少量m-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閠-ZrO2導致的。

2.2 XRD物相分析

圖1 樣品的DSC曲線Fig.1 DSC curve of samples

圖2為樣品的XRD圖譜。從圖2可知，樣品主要有ZrO2相和Al2O3相，其中ZrO2大部分以t-ZrO2存在，m-ZrO2含量較少。其原因是一定量高彈性模量的Al2O3的添加可以有效地抑制ZrO2晶粒生長，使ZrO2晶粒尺寸小于臨界相變顆粒尺寸[7]，從而抑制t-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2，使大量的亞穩(wěn)態(tài)t-ZrO2存在于基本中。此外，Y2O3具有穩(wěn)定ZrO2的作用。t-ZrO2和m-ZrO2同時存在，表明微裂紋增韌、相變增韌、彌散增韌等增韌機制都存在，這極大地提高了泡沫陶瓷的韌性和強度。相反，若添加過多的Al2O3會不利于泡沫陶瓷的致密化，抑制ZrO2晶粒生長的作用減弱，導致大量的m-ZrO2相存在，韌性和強度會相應(yīng)降低。

2.3 形貌結(jié)構(gòu)觀察

圖3為20 ppi的樣品實物照片。從圖3可知，燒制的樣品規(guī)整度較好，氣孔相互貫通，結(jié)構(gòu)保留了泡沫的三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。圖3顯示大部分泡沫孔筋之間未被漿料堵塞，樣品氣孔率較高。

圖4為樣品不同倍數(shù)的SEM照片。從圖4(a)可知，樣品的顆?？桌庑螤钶^規(guī)則，棱角圓滑清晰；孔筋上沒有明顯的氣孔缺陷，表明強度較高。從圖4(b)可知，樣品孔棱結(jié)合比較緊密并大量連成片狀的整體，孔棱上含有的氣孔較少，且分布比較均勻。

2.4 燒成溫度對樣品性能的影響

圖2 樣品的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of samples

圖3 樣品的實物照片F(xiàn)ig.3 The photo of sample

圖4 樣品不同倍數(shù)的SEM照片F(xiàn)ig.4 The SEM images of samples at different magnifications: (a) ×150; (b) ×2000

圖5 為燒成溫度與樣品容重、抗熱震性和抗壓強度的關(guān)系圖。從圖5可知，隨著燒成溫度的提高，樣品的容重增大直至飽和，抗熱震性提高，抗壓強度先增大后減小，燒成溫度為1580 ℃時，抗壓強度達最大值。其原因是當溫度較低時，燒結(jié)體大部分是顆粒堆積，氣孔率比較大；隨著溫度的提高，泡沫陶瓷的致密度不斷提高，氣孔率逐漸降低，使樣品的容重增大，抗熱震性提高。但此時晶粒發(fā)育不完全，晶粒尺寸小于相變臨界尺寸，不能發(fā)生相變，t-ZrO2含量較低，燒結(jié)體的力學性能較差；當溫度升高到1580 ℃時，氣孔率繼續(xù)降低，晶?；景l(fā)育完全，t-ZrO2含量增加，抗壓強度增大。繼續(xù)提高溫度到1600℃甚至更高時，晶粒不斷長大，但此時Y2O3穩(wěn)定機制[8]開始失效，冷卻時m-ZrO2含量增加，泡沫陶瓷孔棱力學性能變?nèi)?。同時，晶粒過大，形成了粒徑大且多孔結(jié)構(gòu)，在冷卻時，晶粒過大的t-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2，產(chǎn)生微裂紋，使抗壓強度減小。

圖5 燒成溫度與(a)容重、(b)抗熱震性和(c)抗壓強度的關(guān)系圖Fig.5 Firing temperature dependence of (a) bulk density, (b) thermal shock resistance and (c) compressive strength

2.5 保溫時間對樣品性能的影響

圖6為保溫時間與樣品容重、抗熱震性和抗壓強度的關(guān)系圖。從圖6可知，隨著保溫時間的延長，樣品的容重先增大后減小，抗熱震性提高，抗壓強度先增大后趨于平衡，保溫時間為120 min時，抗壓強度達最大值。在高溫燒結(jié)時，若保溫時間足夠，熔體液相會在表面張力作用下填充聚氨酯泡沫揮發(fā)留下的微細氣孔，使氣孔率降低，容重增大。同時，樣品在燒結(jié)過程中將吸收足夠的能量，促進樣品的燒結(jié)致密化，致使容重增大，抗壓強度增大，抗熱震性提高。但保溫時間過長，樣品的氣泡會聚集并長大，使容重減小。此時致密化過程趨于完全，故抗壓強度無明顯變化。

圖6 保溫時間與(a)容重、(b)抗熱震性和(c)抗壓強度的關(guān)系圖Fig.6 Holding time dependence of (a) bulk density, (b) thermal shock resistance, and (c) compressive strength

3 結(jié) 論

(1)采用有機泡沫浸漬工藝制備出高性能氧化鋯泡沫陶瓷過濾板。樣品規(guī)整度好，氣孔相互貫通，結(jié)構(gòu)為三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。其容重為0．452 g/cm3，抗熱震性為12 次，抗壓強度為1．56 MPa；

(2)燒成溫度為1580 ℃，保溫時間為120 min時制備的氧化鋯泡沫陶瓷過濾板性能最佳。

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Preparation and Properties of ZrO2Ceramic Foam Filter

ZENG Xiaojun, LIU Weiliang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, 333001, Jiangxi, China)

ZrO2ceramic foam filter with high properties was prepared by the process of organic foam impregnation. The method employed ZrO2powders as raw material, Al2O3and Y2O3powders as sintering aid. The influence of firing temperature and holding time on bulk density, thermal shock resistance and compressive strength of samples was studied. ZrO2ceramic foam filter was characterized by means of tensile testing machine, integrated thermal analyzers, X-ray diffraction and SEM. The experimental results indicated that the properties of as-prepared samples were best when the firing temperature was 1580 ℃ and the holding time was 120min. Samples were 0.452 g/cm3in bulk density, 12 times in thermal shock resistance and 1.56 MPa in compressive strength.

ZrO2ceramic foam; ceramic filter; properties

TQ174.75

A

1006-2874(2014)03-0005-04

2014-03-12。

2014-03-15。

國家自然科學基金項目(編號：51162015)；江西省研究生創(chuàng)新資金資助項目(編號：YC2013-S251)。

劉維良，男，教授。

Received date: 20140-03-12. Revised date: 2014-03-15.

Correspondent author:LIU Weiliang, male, Professor.

E-mail:jdzweiliang@163.com