造孔劑種類及含量對(duì)高孔隙率多孔陶瓷性能的影響

陶艷平 ，何方，李穎銳，程娟，趙亞慶

（河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001）

1 引言

多孔陶瓷是一種具有較多氣孔的新型陶瓷[1]，其內(nèi)部連續(xù)貫通的多孔結(jié)構(gòu)使其具有超高比表面積，并表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等物理化學(xué)性能[2,3]，在過濾、分離、載體、吸音、保溫隔熱、生物工程、航空航天等領(lǐng)域[4-7]應(yīng)用廣泛。

孔隙率是多孔陶瓷的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它對(duì)材料性能有較大影響[8]，通常高孔隙率的多孔陶瓷有更好的過濾和隔熱性能。李悅等[9]以粉煤灰和石英砂為主要原料制備過濾用多孔陶瓷，研究表明：隨著氣孔率的升高，多孔陶瓷滲透率從0.284 cm3·cm·P/cm2·h增大到1.059 cm3· cm·P/cm2·h。徐鯤濠等[5]采用凝膠注模工藝和發(fā)泡凝膠工藝制備氧化鋁多孔陶瓷，對(duì)二者的熱學(xué)性能檢測發(fā)現(xiàn)，凝膠注模法制備的氧化鋁多孔陶瓷，當(dāng)氣孔率從61.2%升高到72.2%時(shí)，則其熱導(dǎo)率從1.83 W/(m·K)降低到1.03 W/ (m·K)。而發(fā)泡凝膠工藝制備的氧化鋁多孔陶瓷，當(dāng)氣孔率從50.8%升高到71.4%時(shí)，則其熱導(dǎo)率從10.22 W/(m· K)降低到3.06 W/(m·K)。這表明隨著氣孔率提高，多孔陶瓷的隔熱性能顯著增強(qiáng)。所以，制備高孔隙率多孔陶瓷有較大的應(yīng)用價(jià)值。但是，在高孔隙率條件下，很難制備出高強(qiáng)度的多孔陶瓷。夏光華等[6]以漂珠為骨料，以小米或聚苯乙烯顆粒、碳粉等為造孔劑，可制得高孔隙率多孔陶瓷濾料。當(dāng)造孔劑為20%時(shí)，顯氣孔率達(dá)到66.43%，但抗壓強(qiáng)度僅有3.1 MPa。Qi Wang[10]等采用添加造孔劑法，將草酸銨(AOM)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為造孔劑，制備了不同孔形狀和孔隙率的多孔陶瓷，所得多孔陶瓷的孔徑在150～250 μm之間，但當(dāng)孔隙率大于50%時(shí)，多孔陶瓷出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。因此，如何制備高孔隙率，且有一定強(qiáng)度的多孔陶瓷仍然是目前研究的熱點(diǎn)。

本文在優(yōu)選高孔隙率多孔陶瓷濾料配方的基礎(chǔ)上，分別添加碳粉和淀粉兩種造孔劑，目的在于制備出具有較高強(qiáng)度的高孔隙率多孔陶瓷。同時(shí)，研究了造孔劑的種類和含量對(duì)多孔陶瓷氣孔率、體積密度和力學(xué)性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)的原料有：骨料，其主要成份為石英（含硅量99%）、粘土（蘇州土）、鉀長石（JC/T859-2000），粒度均為320目；造孔劑，其主要成份為碳粉、淀粉，粒度均為300目，造孔劑的種類和含量如表1所示；粘結(jié)劑，其主要成份為聚乙烯醇（PVA），8%～10%。

表1 造孔劑種類和含量

2.2 實(shí)驗(yàn)配方及工藝流程

（1）實(shí)驗(yàn)配方

在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出高孔隙率多孔陶瓷濾料的配方[11]，其成份及含量為：石英15%、粘土40%、鉀長石45%。燒成溫度為1275℃。

（2）實(shí)驗(yàn)工藝流程

高孔隙率多孔陶瓷的工藝流程如圖1所示。

圖1 高孔隙率多孔陶瓷制備流程圖

1）配料

用型號(hào)YP電子天平按照既定比例稱取粘土、鉀長石、石英制備出多孔陶瓷基體配料。

2）添加造孔劑

按照表1中的造孔劑的種類和比例稱取造孔劑。

3）研磨

分別將不同含量造孔劑添加入基體配料，使用研缽研磨60 min，再加入粘結(jié)劑。在1～8組中使用注射器外加8%PVA（聚乙烯醇）；在9～16組中加入10%PVA；然后繼續(xù)研磨30 min使粘結(jié)劑混勻。

4）陳腐

將試樣裝袋陳腐，陳腐時(shí)間為24 h。

5）成型

按既定壓制密度裝模，在Y41-25B液壓機(jī)上壓制成型，成型壓力為5 MPa。

6）干燥

將成型后的試樣條放入70℃恒溫干燥箱中干燥24 h。

7）燒結(jié)

碳粉造孔劑在600～800℃燃盡，淀粉造孔劑在250～400℃燃盡。由此確定兩種試樣的燒成曲線分別如圖1、圖2。

圖1 添加碳粉造孔劑試樣的燒成制度曲線

圖2 添加淀粉造孔劑試樣的燒成制度曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 外觀分析

添加不同含量碳粉造孔劑的試樣條外觀效果如圖3所示。添加不同含量淀粉造孔劑的試樣條外觀效果如圖4所示。

圖3 添加不同含量碳粉造孔劑的試樣條

圖4 添加不同含量淀粉造孔劑的試樣條

由圖3可知，以碳粉為造孔劑制備的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)致密，成型性能較好，隨著碳粉含量增加，試樣開始出現(xiàn)彎曲變形。當(dāng)碳粉含量增加到35%后，碳粉燃燒產(chǎn)生大量的二氧化碳，聚集在試樣周圍，形成惰性氣氛，阻礙碳粉的進(jìn)一步燃燒，出現(xiàn)試樣條“黑心”情況；當(dāng)碳粉含量增加到50%以上，陶瓷基體無法完全包裹碳粉，高溫下碳粉燃盡，留下大量空洞，產(chǎn)品酥碎，沒有強(qiáng)度。

由圖4可知，以淀粉為造孔劑制備的多孔陶瓷，淀粉含量小于25%時(shí)，表觀結(jié)構(gòu)完整。隨著淀粉含量增加，試樣出現(xiàn)裂紋、開裂等問題。通過分析，開裂原因主要有兩個(gè)方面：

（1）淀粉粘性較差，與陶瓷基料混合壓制成型后，產(chǎn)生肉眼看不見的微裂紋，在多孔陶瓷燒成時(shí)擴(kuò)展成裂紋；

（2）淀粉在高溫下發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，如：糊化吸水膨脹，顆粒解體等，導(dǎo)致淀粉造孔劑的體積變化，從而增加多孔陶瓷內(nèi)部缺陷，產(chǎn)生裂紋。

3.2 氣孔率和體積密度

用煮沸法測量氣孔率和體積密度。

需要注意的是：第15組、16組燒成后，樣條酥碎，變形嚴(yán)重，輕輕觸碰即碎裂，強(qiáng)度極低，無法對(duì)其孔隙率、體積密度和抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測試。因此，不予表征。

不同造孔劑含量和氣孔率關(guān)系如圖5所示。不同造孔劑含量和體積密度關(guān)系如圖6所示。

圖5 不同造孔劑含量和氣孔率關(guān)系圖

圖6 不同造孔劑含量和體積密度關(guān)系圖

由圖5、圖6可見，隨著造孔劑含量增加，多孔陶瓷氣孔率均呈增長趨勢，體積密度相應(yīng)降低。當(dāng)造孔劑含量相同時(shí)，以淀粉為造孔劑制備的多孔陶瓷孔隙率大于以碳粉為造孔劑的多孔陶瓷氣孔率。碳粉由于燒結(jié)過程中不能充分燃盡，且燃燒后有部分封閉氣孔，故使用煮沸法測量的氣孔率比理論氣孔率偏低。結(jié)果顯示：當(dāng)碳粉含量為35%時(shí)，氣孔率達(dá)26%、體積密度為1.77 g·cm-3。而淀粉造孔劑多孔陶瓷燃燒過程中會(huì)有部分體積收縮，且淀粉易吸水膨脹，燃燒后淀粉顆粒分解產(chǎn)生大量孔洞，故實(shí)際氣孔率高于理論氣孔率。當(dāng)?shù)矸酆繛?5%時(shí)，氣孔率可達(dá)33%、體積密度為1.7 g·cm-3。

3.3 抗彎強(qiáng)度

使用多功能試驗(yàn)機(jī)測試試樣的抗彎強(qiáng)度，不同含量碳粉和淀粉的抗彎強(qiáng)度如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)造孔劑含量相同時(shí)，碳粉造孔劑多孔陶瓷的強(qiáng)度均高于淀粉造孔劑多孔陶瓷。這主要是因?yàn)榈矸墼炜讋┱承圆?，與陶瓷基體結(jié)合性也差，燒成后產(chǎn)生氣孔率高，所以其致密性低于碳粉造孔劑多孔陶瓷。該體系中淀粉造孔劑的添加范圍明顯窄于碳粉造孔劑，當(dāng)?shù)矸墼炜讋┑募尤肓康竭_(dá)40%時(shí)，強(qiáng)度僅為1.18 MPa。因此，在實(shí)際使用時(shí)，要嚴(yán)格控制淀粉造孔劑的加入量。

圖7 不同造孔劑含量與抗彎強(qiáng)度關(guān)系圖

4 結(jié)論

（1）當(dāng)碳粉和淀粉造孔劑含量分別小于35%和25%時(shí)，多孔陶瓷試樣能保持完整形態(tài)。隨著造孔劑含量增加，碳粉試樣出現(xiàn)“黑心”，無法成型，淀粉試樣出現(xiàn)開裂、裂紋等缺陷。

（2）隨著兩種造孔劑含量的增加，多孔陶瓷氣孔率均呈增長趨勢，體積密度和抗彎強(qiáng)度下降，該體系中淀粉的造孔效果較好。當(dāng)?shù)矸墼炜讋┑募尤肓康竭_(dá)25%時(shí)，孔隙率最高可達(dá)33%、體積密度為1.7g/cm3。

（3）當(dāng)造孔劑含量相同時(shí)，碳粉多孔陶瓷的強(qiáng)度均高于淀粉多孔陶瓷。另外，淀粉造孔劑的添加范圍窄于碳粉造孔劑，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)嚴(yán)格控制用量。

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