高溫氣固分離SiC多孔陶瓷材料制備及性能研究

倫文山+彭文博+王躍超+朱軍+沈云進(jìn)++陸麗芳

摘 要：本文利用等靜壓成型高溫氣固分離碳化硅多孔陶瓷支撐體，研究了碳化硅含量、造孔劑含量、成型壓力及燒成溫度對(duì)碳化硅多孔陶瓷支撐體孔隙率及抗折強(qiáng)度的影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，碳化硅含量在88wt%、成型壓力為40 MPa、燒成溫度為1330 ℃時(shí)，制備的碳化硅支撐體性能較為理想，可用于工業(yè)化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：碳化硅；等靜壓成型；孔隙率；抗折強(qiáng)度

1 引言

目前，我國(guó)電力工業(yè)以火力發(fā)電為主，但高溫?zé)煔鈨艋讲桓撸坏廴经h(huán)境，而且大量的熱能和有用資源被白白浪費(fèi)。高溫氣體除塵技術(shù)是21世紀(jì)最先進(jìn)的節(jié)能、高效技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以促進(jìn)我國(guó)資源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。高溫氣體除塵技術(shù)的關(guān)鍵是要將煙氣在高溫下直接實(shí)現(xiàn)氣固凈化分離，并使排出的煙氣符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

要除去高溫?zé)煔庵械膲m粒，必須要求所選陶瓷材料能承受高溫（500～900 ℃）、高壓（1.0～3.0 MPa）以及脈沖反吹時(shí)因溫度差突變而引起的熱應(yīng)力變化。因此，研發(fā)一種具有優(yōu)異性能的高溫陶瓷過(guò)濾材料亟待解決。

采用SiC材料制備的多孔陶瓷支撐體最大優(yōu)點(diǎn)在于它的抗熱沖擊性好、高溫強(qiáng)度高和耐腐蝕性好，在嚴(yán)酷的條件下可以保持很好的穩(wěn)定性。同時(shí)，碳化硅陶瓷具有良好的抗彎強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度的大小直接影響到碳化硅多孔陶瓷支撐體的使用壽命。因此，碳化硅多孔陶瓷支撐體是一種優(yōu)良的高溫氣固分離材料。

本文主要根據(jù)碳化硅的特性研究如何制備出高孔隙率和高抗彎強(qiáng)度的碳化硅多孔陶瓷支撐體，使其工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，能在高溫氣固分離行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

本試驗(yàn)所采用的原料有：碳化硅（60目）、超細(xì)高嶺土、硅微粉、滑石粉、鈦白粉、碳酸鋇、木屑以及粘結(jié)劑

主要設(shè)備有：冷等靜壓機(jī)、電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)、高溫?zé)Y(jié)爐、顯氣孔體密測(cè)定儀等。

2.2 試樣的制備

以碳化硅顆粒為骨料搭建骨架，利用細(xì)粉作為陶瓷結(jié)合劑，將混合均勻的陶瓷結(jié)合劑緩緩加入骨料中混合均勻；然后將造孔劑加入到骨料中，在轉(zhuǎn)動(dòng)的混煉機(jī)中碾壓均勻，之后陳化24 h；最后在等靜壓模具中等成型，尺寸為Φ60 mm ×Φ40 mm × 750 mm；成型后的試樣放入恒溫烘箱中進(jìn)行低溫烘干處理，在1330 ℃下燒成，保溫時(shí)間為5 h。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 碳化硅含量對(duì)碳化硅陶瓷支撐體性能的影響

SiC含量和孔隙率與抗折強(qiáng)度、體積密度的關(guān)系分別如圖1、圖2所示。

通過(guò)圖1和圖2可以看出，隨著碳化硅含量的升高，支撐體的抗折強(qiáng)度和體積密度不斷降低，而孔隙率則不斷地升高，基本成線性關(guān)系。而本試驗(yàn)的主要目的是在保持一定的抗折強(qiáng)度的前提下盡可能的提高支撐體的孔隙率和孔徑大小，因?yàn)榭紫堵实母叩秃涂讖降拇笮∈侵苯佑绊懱蓟柚误w過(guò)濾壓降的關(guān)鍵因素?？讖皆酱螅紫堵试礁?，碳化硅支撐體的過(guò)濾壓降越小。因此，需要在強(qiáng)度和孔隙率之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。碳化硅含量過(guò)高，陶瓷結(jié)合劑的含量相應(yīng)地減少，會(huì)導(dǎo)致碳化硅支撐體不易成型，且燒成時(shí)液相偏少，導(dǎo)致強(qiáng)度偏低；碳化硅含量過(guò)少，陶瓷結(jié)合劑的含量升高，使支撐體的液相增加，使支撐體燒成時(shí)更易變形，孔隙率降低，使得過(guò)濾壓降偏大，氣體的滲透率偏低。滲透率和孔徑大小的公式如下：

μ=qr2/8ξ （1）

其中，μ為滲透率；q為開(kāi)氣孔隙率；r為氣孔半徑；ξ為氣孔曲折度。

由公式（1）可以看出，孔徑大小對(duì)滲透率的影響成平方的關(guān)系，而支撐體的滲透率越大，其過(guò)濾壓降越小。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，碳化硅的含量在88wt%時(shí)，得到的抗折強(qiáng)度和孔隙率均較為理想。

3.2 造孔劑含量對(duì)碳化硅陶瓷支撐體性能的影響

在一般的陶瓷制備過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)成型壓力，燒結(jié)溫度以及保溫時(shí)間，可以控制制品的強(qiáng)度和孔隙率，但是成型壓力過(guò)低，制品的強(qiáng)度會(huì)降低，缺陷增多，成型壓力過(guò)高，孔隙率會(huì)大幅度降低；燒結(jié)溫度太高或保溫時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)使部分氣孔封閉甚至消失，導(dǎo)致孔隙率降低，而燒結(jié)溫度太低或保溫時(shí)間較短，則制品的強(qiáng)度偏低，均不能滿足性能的要求。對(duì)于多孔陶瓷，單純依靠成型壓力和燒結(jié)溫度以及保溫時(shí)間很難同時(shí)滿足強(qiáng)度和孔隙率的要求，因此需要引入部分造孔劑來(lái)改善多孔陶瓷的性能。造孔劑的引入在坯體中占據(jù)一定的空間，經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)，造孔劑燃燒或分解，從而留下一定的空隙，

引入的造孔劑需滿足兩個(gè)條件：一是不能和陶瓷基體進(jìn)行反應(yīng)；二是燒結(jié)過(guò)程中易排除，不會(huì)留下對(duì)多孔陶瓷性能影響的殘留物質(zhì)。在多孔陶瓷材料中，造孔劑的選取有很多種，如活性炭、石墨、淀粉、聚乙烯醇、纖維素

等等。

而本試驗(yàn)采用的造孔劑為一定尺寸的木屑纖維作為造孔劑，優(yōu)點(diǎn)有三點(diǎn)：一是容易燒掉而不會(huì)留下殘留物；二是因?yàn)槔w維，加入后會(huì)對(duì)成型的坯體的強(qiáng)度有一定的提高；三是木纖維的比重輕，不會(huì)過(guò)多的增加坯體的重量。

造孔劑含量和孔隙率與抗折強(qiáng)度、體積密度地關(guān)系如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，隨著造孔劑含量的提高，孔隙率基本呈現(xiàn)線性升高，抗折強(qiáng)度以及體積密度呈線性下降。雖然造孔劑的含量提高，孔隙率大幅度升高，支撐體的過(guò)濾壓降降低，但是相應(yīng)的支撐體的強(qiáng)度呈線性下降，在使用過(guò)程中支撐體易斷裂破碎，使用壽命縮短。由分析可得，當(dāng)造孔劑含量在3wt%時(shí)，支撐體的孔隙率為37.5%、抗折強(qiáng)度23.2 MPa、測(cè)試得到過(guò)濾壓降390 Pa。

3.3 成型壓力對(duì)碳化硅陶瓷支撐體性能的影響

成型壓力的大小對(duì)陶瓷坯體的致密度以及燒成后制品的強(qiáng)度以及孔隙率有直接的影響，成型壓力高，坯體強(qiáng)度高，脫模時(shí)不易破碎，燒成后制品的強(qiáng)度高，孔隙率小；成型壓力低，坯體強(qiáng)度低，脫模時(shí)易損壞，燒成后制品的強(qiáng)度低，孔隙率高。因此，選取合適的成型壓力是制備出優(yōu)異的陶瓷制品關(guān)鍵因素之一。

成型壓力和孔隙率與抗折強(qiáng)度、體積密度地關(guān)系分別如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看出，隨著成型壓力的提高，碳化硅支撐體的強(qiáng)度和體積密度隨之升高，孔隙率隨之下降，且下降幅度較大。而研究制備的多孔碳化硅陶瓷材料，需要保持一定的孔隙率（≥35%）。因此，不能單一的考慮碳化硅陶瓷的強(qiáng)度來(lái)選取成型壓力。當(dāng)成型壓力在40 MPa的時(shí)，測(cè)得孔隙率>35%、抗折強(qiáng)度>22 MPa；當(dāng)成型壓力超過(guò)45 MPa時(shí)，孔隙率低于35%，此時(shí)氣體通過(guò)碳化硅支撐體的的阻力偏大，直接影響了支撐體的使用效率。

3.4 燒成溫度對(duì)碳化硅陶瓷支撐體性能的影響

對(duì)于任何陶瓷材料，燒成溫度的研究是整個(gè)工藝研究中至關(guān)重要的部分，燒成過(guò)程是陶瓷制品排水、排膠、發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)、致密化燒結(jié)的過(guò)程。燒成溫度的大小直接影響到陶瓷材料的熱力學(xué)性能。

燒成溫度與抗折強(qiáng)度和孔隙率的關(guān)系如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著燒成溫度的不斷提高，碳化硅陶瓷支撐體的抗折強(qiáng)度隨之升高，孔隙率隨之下降。隨著溫度的不斷提高，材料中液相不斷增多，使碳化硅顆粒能完全地被液相包裹，顆粒與顆粒之間能很好結(jié)合在一起，使得碳化硅陶瓷的強(qiáng)度得到提高。但是溫度過(guò)高時(shí)，碳化硅陶瓷內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)多余的液相，通過(guò)不斷流動(dòng)填充到碳化硅陶瓷的各個(gè)空隙中，阻塞空隙，使得碳化硅陶瓷材料的閉氣孔數(shù)量增加，顯氣孔率下降，影響碳化硅多孔陶瓷氣固分離時(shí)氣體的滲透率，增大了支撐體的過(guò)濾壓降。當(dāng)燒成溫度在1330 ℃時(shí)，孔隙率為37.5%、抗折強(qiáng)度為23.5 MPa。溫度過(guò)低，支撐體強(qiáng)度偏低，且燒結(jié)不完全，影響支撐體的使用壽命。

4 結(jié)論

（1） 當(dāng)碳化硅骨料加入量為88wt%時(shí)，所制得的碳化硅陶瓷支撐體的性能較為理想，此時(shí)的孔隙率為37.5%、抗折強(qiáng)度在23.5 MPa左右。

（2） 當(dāng)成型壓力為40 MPa、燒成溫度為1330 ℃時(shí)，制備的碳化硅陶瓷支撐體的孔隙率及抗折強(qiáng)（下轉(zhuǎn)第29頁(yè)）度性能較為理想。

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