燒結(jié)溫度對(duì)SiC多孔陶瓷中過(guò)渡層的影響

王怡馨，鄧湘云，吳　迪，王艷穎（天津師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，天津 300387）

燒結(jié)溫度對(duì)SiC多孔陶瓷中過(guò)渡層的影響

王怡馨，鄧湘云，吳迪，王艷穎
（天津師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，天津 300387）

摘要：為研究過(guò)渡層對(duì)多孔陶瓷材料的影響，在不同燒結(jié)溫度下制備具有過(guò)渡層的SiC多孔陶瓷.陶瓷纖維過(guò)渡層中各成分（莫來(lái)石纖維∶硅酸鋁纖維∶羧甲基纖維素鈉（CMC）∶去離子水）的質(zhì)量比為1∶1∶1.5∶70.采用甩膜法將過(guò)渡層漿料均勻涂覆在支撐體上，樣品燒結(jié)溫度分別為1225、1250、1275、1300和1325℃.利用掃描電子顯微鏡（SEM）、過(guò)濾壓降測(cè)試系統(tǒng)和阿基米德排水法分別對(duì)燒結(jié)后樣品的表面形貌、過(guò)濾壓降和氣孔率等性能進(jìn)行分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：燒結(jié)溫度從1225℃升高后，樣品氣孔孔徑逐漸增大，氣孔的連通度越來(lái)越好，氣孔率越來(lái)越大，并在燒結(jié)溫度為1300℃時(shí)達(dá)到最佳值.當(dāng)溫度高于1300℃時(shí)，部分氣孔堵塞，樣品出現(xiàn)陶瓷化現(xiàn)象.隨著溫度升高，過(guò)渡層和支撐體整體的過(guò)濾壓降先減小后增大，在1300℃時(shí)過(guò)濾壓降最小.

關(guān)鍵詞：SiC多孔陶瓷；過(guò)渡層；燒結(jié)溫度；過(guò)濾壓降；氣孔率

在傳統(tǒng)的碳化硅多孔陶瓷過(guò)濾器件中［1-2］，由于支撐體由大粒徑陶瓷顆粒構(gòu)成，造成支撐體氣孔孔徑比過(guò)濾膜所用陶瓷顆粒粒徑大很多，導(dǎo)致部分過(guò)濾膜的顆粒填充到支撐體的空隙中，引起氣孔堵塞，降低過(guò)濾效率且增大能量損耗［3］.因此，在制備碳化硅多孔陶瓷過(guò)濾器件時(shí)，在支撐體和過(guò)濾膜間添加一種有利于降低過(guò)濾壓降的纖維過(guò)渡層［4-6］，可以減少工業(yè)損耗，有效降低工業(yè)成本［7-8］.這種含有過(guò)渡層的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)多孔陶瓷在化工、環(huán)保和冶金等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［9-13］，但目前對(duì)于多孔陶瓷的研究多集中于對(duì)支撐體的研究［14-16］，對(duì)過(guò)渡層的研究較少.

本研究過(guò)渡層設(shè)計(jì)采用莫來(lái)石纖維和硅酸鋁纖維作為基礎(chǔ)成分，其中，莫來(lái)石纖維主要起纖維骨架的作用，熔點(diǎn)為1600℃；硅酸鋁纖維的熔點(diǎn)為1100℃，作用是作為過(guò)渡層的粘結(jié)劑［17-19］.由于莫來(lái)石纖維和硅酸鋁纖維的熔點(diǎn)不同，不同燒結(jié)溫度會(huì)對(duì)2種材料的相變產(chǎn)生直接影響，從而引起多孔陶瓷過(guò)濾器性能的變化.本研究通過(guò)探討燒結(jié)溫度對(duì)過(guò)渡層形貌、過(guò)濾壓降和氣孔率的影響，以期為減少能耗、降低工業(yè)成本提供幫助.

1　實(shí)驗(yàn)

1.1樣品制備

首先，在一定量的去離子水中加入硅酸鋁纖維和磁子，用磁力攪拌器攪拌混勻并加熱煮沸，待硅酸鋁纖維完全漿化后加入莫來(lái)石纖維，繼續(xù)攪拌，直至硅酸鋁纖維和莫來(lái)石纖維完全漿化混合均勻.然后，加入一定量的羧甲基纖維素鈉，使其混合均勻，并將混合得到的漿料加入研磨球進(jìn)行球磨，控制球磨時(shí)間為2 h，轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 r/min.以上所加各組分質(zhì)量比為m莫來(lái)石纖維∶m硅酸鋁纖維∶m羧甲基纖維素鈉（CMC）∶m去離子水=1∶1∶1.5∶70.混勻后取出漿料，用勻膠甩膜機(jī)將漿料甩在SiC多孔陶瓷支撐體上成膜，甩膜速率設(shè)定為100 r/min，時(shí)間為10～12 s.由于陶瓷纖維膜漿料的濃度較小，為了方便控制膜厚，可以進(jìn)行多次烘干和甩膜，直至達(dá)到所需厚度（約60 μm）.最后，將坯體分別在1 225、1 250、1 275、1 300和1 325℃溫度下燒結(jié)，得到具有過(guò)渡層的SiC多孔陶瓷.

1.2性能測(cè)試

采用日本日立公司生產(chǎn)的S4800/TM3000掃描電子顯微鏡對(duì)樣品的形貌進(jìn)行觀察；運(yùn)用過(guò)濾壓降測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試樣品的過(guò)濾壓降.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前必須將所有儀表調(diào)零，并檢查所有裝置的氣密性.然后將直徑為5 cm的圓形多孔陶瓷試樣放入特制樣品架中，啟動(dòng)真空泵，隨后調(diào)節(jié)氣閥，使氣體流量計(jì)中的浮子穩(wěn)定在0.01～0.12 m3/h范圍內(nèi)的某一數(shù)值后，記錄差壓儀讀數(shù)，讀出的數(shù)值就是多孔陶瓷的過(guò)濾壓降.

使用阿基米德排水法測(cè)試樣品的氣孔率.先用超聲波清洗器清潔直徑為5 cm的圓形試樣10 min，再用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱將其烘干，然后將試樣自然冷卻，降至室溫.隨后用電子天平測(cè)量多孔陶瓷試樣的干重m0，接著將樣品放入去離子水中加熱煮沸2 h，以保證在煮沸的過(guò)程中，去離子水能夠充分進(jìn)入到多孔陶瓷的氣孔中，然后分別測(cè)量多孔陶瓷試樣在去離子水中的浮重m1和濕重m2，最后根據(jù)公式：氣孔率= （m2-m0）/m1×100%計(jì)算出多孔陶瓷樣品的氣孔率.

2　結(jié)果與討論

2.1表面形貌

圖1為不同燒結(jié)溫度SiC多孔陶瓷過(guò)渡層的宏觀形貌.

圖1　不同燒結(jié)溫度SiC多孔陶瓷過(guò)渡層的宏觀形貌Fig.1　Macroscopic morphology of porous silicon carbide ceramics transition layer with different sintering temperature

由圖1可以看出，燒結(jié)溫度為1 225℃時(shí)，莫來(lái)石纖維整體纖維化比較明顯，受保溫時(shí)間限制，硅酸鋁纖維的熔融狀態(tài)一般，整體流動(dòng)性較差，表面氣孔很不明顯.燒結(jié)溫度為1 250℃時(shí)，莫來(lái)石纖維逐漸發(fā)揮作用，顏色開(kāi)始略微泛黃.燒結(jié)溫度為1 275℃時(shí)，整個(gè)過(guò)渡層越來(lái)越明顯，氣孔數(shù)量增多，表面纖維化更明顯.隨著溫度進(jìn)一步升高，硅酸鋁纖維的熔融狀態(tài)越來(lái)越強(qiáng)烈，流動(dòng)性越來(lái)越好，同時(shí)莫來(lái)石纖維受溫度的影響也凸顯出來(lái)，表面的氣孔增多，孔徑增大.當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1 300℃時(shí)，整個(gè)過(guò)渡層表面的氣孔數(shù)量達(dá)到最大值，同時(shí)在硅酸鋁纖維和莫來(lái)石纖維共同作用下，過(guò)渡層表面顏色變深.當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，過(guò)渡層表面呈現(xiàn)出如圖1（e）所示的現(xiàn)象，樣品邊緣部位出現(xiàn)凸起，且氣孔堵塞，莫來(lái)石纖維出現(xiàn)團(tuán)聚，表面整體光滑度下降，氣孔數(shù)量減少，較燒結(jié)溫度為1 300℃的樣品顏色變深，且整個(gè)支撐體邊緣出現(xiàn)形變，邊緣變得粗糙.

不同燒結(jié)溫度對(duì)應(yīng)的SiC多孔陶瓷過(guò)渡層的表面掃描電鏡結(jié)果如圖2所示.

圖2　不同燒結(jié)溫度SiC多孔陶瓷過(guò)渡層的SEM圖Fig.2　SEM images of porous silicon carbide ceramic transition layer with different sintering temperature

由圖2可以清楚地看出SiC多孔陶瓷過(guò)渡層表面形貌的微觀變化.燒結(jié)溫度為1 225℃時(shí)，樣品表面呈現(xiàn)出黏稠狀的纖維化，纖維之間的粘結(jié)劑未展現(xiàn)出完全的流動(dòng)性，整體纖維的分布較混亂，且氣孔的孔徑很小，過(guò)渡層與支撐體之間的連通度較差.隨著溫度的升高，氣孔的連通度越來(lái)越好，并在燒結(jié)溫度為1 300℃時(shí)達(dá)到最佳.當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1 325℃時(shí)，整個(gè)過(guò)渡層表面呈現(xiàn)陶瓷化現(xiàn)象，氣孔數(shù)量明顯減少，且氣孔孔徑越來(lái)越小，造成此問(wèn)題的主要原因是作為粘結(jié)劑的硅酸鋁纖維的流動(dòng)性受溫度的影響，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，硅酸鋁纖維呈現(xiàn)出一定的助燒作用，造成莫來(lái)石纖維開(kāi)始溶解并團(tuán)聚，出現(xiàn)陶瓷化現(xiàn)象.

2.2過(guò)濾壓降

燒結(jié)溫度對(duì)纖維過(guò)渡層及支撐體整體過(guò)濾壓降的影響如圖3所示.由圖3可以看出，燒結(jié)溫度為1 225℃的過(guò)渡層連帶支撐體整體的過(guò)濾壓降最大，說(shuō)明其通氣性最差，燒結(jié)溫度為1 300℃的樣品的過(guò)濾壓降最小.當(dāng)燒結(jié)溫度升到1 325℃時(shí)，樣品的過(guò)濾壓降反而增大，但仍小于溫度燒結(jié)溫度低于1 300℃的樣品的過(guò)濾壓降，這是因?yàn)? 325℃的燒結(jié)溫度雖然造成樣品表面出現(xiàn)陶瓷化，但其氣孔總數(shù)量仍大于燒結(jié)溫度為1 275、1 250和1 225℃的樣品的氣孔總數(shù)，且此時(shí)氣孔與支撐體的連通度大于其他樣品的連通度，所以整體過(guò)濾壓降仍處于較低值.

圖3　不同燒結(jié)溫度SiC多孔陶瓷過(guò)渡層及支撐體整體的過(guò)濾壓降情況Fig.3　Filter pressure drop of the transition layer and the support of porous silicon carbide ceramic with different sintering temperature

2.3氣孔率

支撐體和含過(guò)渡層支撐體的氣孔率隨燒結(jié)溫度的變化情況如圖4所示.

圖4　不同燒結(jié)溫度下含過(guò)渡層SiC多孔陶瓷和無(wú)過(guò)渡層支撐體的氣孔率Fig.4　Porosity of transition layer of porous silicon carbide ceramics and supporting body without transition layer with different sintering temperature

由于少量過(guò)渡層中的纖維會(huì)進(jìn)入支撐體的空隙，因而造成含過(guò)渡層支撐體的氣孔率有所降低.燒結(jié)溫度為1 225℃時(shí)，粘結(jié)劑尚未完全融化，玻璃相生成較少，熔體黏度和黏性阻力值相對(duì)較大，晶界相的運(yùn)動(dòng)限制造成局部氣孔堵塞，氣孔率較低，空氣無(wú)法順利通過(guò).隨著燒結(jié)溫度的升高，粘結(jié)劑熔化完全，生成了大量的玻璃相，孔隙連通性逐漸增加，氣孔率在燒結(jié)溫度為1 300℃時(shí)達(dá)到最大.隨著燒結(jié)溫度的繼續(xù)上升，樣品表面的過(guò)渡層纖維出現(xiàn)團(tuán)聚，堵塞氣孔的空隙，出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，氣孔數(shù)量減少，導(dǎo)致SiC多孔過(guò)濾陶瓷的壓力降小于過(guò)濾壓降的增加，同時(shí)伴隨有氣孔數(shù)量減少、氣孔堵塞等現(xiàn)象.

3　結(jié)論

（1）燒結(jié)溫度可以影響過(guò)渡層整體的表面形貌.從宏觀來(lái)看，SiC多孔陶瓷顏色逐漸加深，氣孔數(shù)量逐漸增加，氣孔的連通度增大；溫度大于1 300℃時(shí)出現(xiàn)過(guò)燒結(jié)現(xiàn)象，表層呈現(xiàn)出陶瓷化現(xiàn)象.

（2）燒結(jié)溫度使過(guò)渡層和支撐體整體的過(guò)濾壓降呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，在1 300℃時(shí)過(guò)濾壓降最小.

（3）當(dāng)溫度從1225℃上升時(shí)，SiC多孔陶瓷氣孔率逐漸增大，在1300℃時(shí)達(dá)到最佳值.當(dāng)溫度高于1300℃時(shí)，樣品出現(xiàn)陶瓷化現(xiàn)象，部分氣孔堵塞.

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（責(zé)任編校亢原彬）

第一作者：王怡馨（1986—），女，碩士研究生.

文章編號(hào)：1671-1114（2016）01-0028-04

中圖分類(lèi)號(hào)：O522+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-06-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012AA03A610）.

通信作者：鄧湘云（1964—），女，教授，主要從事鐵電、壓電材料及多孔陶瓷方面的研究.

Effect of sintering temperature on the transition layer in porous silicon carbide ceramics

WANG Yixin，DENG Xiangyun，WU Di，WANG Yanying
（College of Physics and Materials Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Abstract：To study the impact of the transition layer of porous ceramic materials，porous silicon carbide ceramics with transition layer were prepared at different sintering temperatures.Ceramic fiber transition layers were composed of mullite fibres and aluminum silicate fibres.The mass ratio of ingredients（mullite fiber:aluminum silicate fiber:sodium carboxymethyl cellulose（CMC）:deionized water）was 1∶1∶1.5∶70.The transition layer pulp evenly coated on the supporting body by spin-coating，sintering temperature of the samples were 1 225，1 250，1 275，1 300 and 1 325℃.Surface morphology of the sample，filter pressure drop and porosity were analyzed by scanning electron microscope（SEM），the filter pressure drop test system，Archimedes drainage method respectively.The results show that pore size of the samples increase，the pore connectivity shows better，and porosity increases when the temperature rises from 1 225℃，the porosity reaches optimum value when temperature is 1 300℃.Partial pores are blocked and the samples appear ceramic phenomenon when temperature is higher than 1 300℃.Filter pressure drop of transition layer and support body first decreases and then increases with the rise of temperature，and the filter pressure drop reaches minimum when temperature is 1 300℃.

Keywords：SiC porous ceramics；transition layer；sintering temperature；filter pressure drop；porosity