工藝參數(shù)對石英質(zhì)多孔材料孔性能的影響

王 芳，余思遠(yuǎn)，李垚圻，李世哲，李 新，邱治文，宋杰光，李世斌

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工藝參數(shù)對石英質(zhì)多孔材料孔性能的影響

王 芳，余思遠(yuǎn)，李垚圻，李世哲，李 新，邱治文，宋杰光，李世斌

九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院江西省材料表面再制造工程技術(shù)研究中心, 江西九江332005

以長江沿岸低品位石英砂為主要原料，采用真空燒結(jié)制備了石英質(zhì)多孔材料。通過實驗分析發(fā)現(xiàn)：隨燒結(jié)溫度的升高、水料比的增大或發(fā)泡劑含量的增加，多孔材料的氣孔率增大，抗壓強度降低；而隨著保溫時間的延長，多孔材料的氣孔率降低，抗壓強度升高。通過優(yōu)化得出最佳配比為：石英砂60 wt%、高嶺土30 wt%、助燒劑9.6 wt%、發(fā)泡劑0.4 wt%。按這一最佳配比配料，在水料比為0.9的條件下球磨2 h制漿發(fā)泡，而后在1175°C燒結(jié)1 h，可以制備得到性能較佳的石英質(zhì)多孔材料。

石英；多孔材料；孔性能；真空燒結(jié)

多孔陶瓷又稱為微孔陶瓷、泡沫陶瓷，是一種由骨料、粘結(jié)劑和發(fā)泡劑等組分混合并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的一類新型陶瓷材料。多孔陶瓷具有耐高溫、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕、微孔均勻、原料來源廣泛、易于清洗等特點，廣泛應(yīng)用于化工、石油、環(huán)保、冶金、機(jī)械、礦山、食品、醫(yī)藥、生物等行業(yè)[1-3]。但是，多孔陶瓷材料的網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其強度受到限制，影響產(chǎn)品的使用壽命[4-6]。因此，孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控是多孔陶瓷研制的一個關(guān)鍵問題。

在過去幾年中，作者以長江沿岸低品位石英砂為主要原料，研究了石英砂基多孔陶瓷的制備技術(shù)，探討了工藝參數(shù)與材料密度、氣孔率、顯微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系[7-10]。本文將在以往研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)探討石英質(zhì)多孔材料的孔結(jié)構(gòu)控制機(jī)理，以進(jìn)一步優(yōu)化石英質(zhì)多孔材料的制備工藝。

1實驗材料及方法

1.1主要原料

本研究所用的原料為采自九江地區(qū)長江沿岸的低品位石英砂 (河沙)，呈黃色。原料的化學(xué)成分列于表1。

將石英砂原料在陽光下自然曬干后，首先對其進(jìn)行粗選，然后過50目篩，去除其中尺寸較大的礦物顆粒，避免影響球磨。最后在QM-BP型行星式球磨機(jī) (上海卓的儀器設(shè)備有限公司) 上球磨1 h后取出備用。球磨后顆粒的平均粒徑為14mm。

表1 石英砂的化學(xué)成分 (wt%)

1.2 試樣制備

按60 wt% 石英砂、30 wt% 商業(yè)高嶺土和10 wt% 的助燒劑 (碳酸鈣) 和發(fā)泡劑(十二甲基磺酸鈉) 的比例進(jìn)行配料，加水球磨2 h后獲得漿料；采用澆注成型法將漿料澆注到模具中；將裝有漿體的模具一并放入烘箱在80°C烘干12 h后形成Φ80 mm × 60 mm坯體；將坯體放入ZT-50-22型真空碳管爐 (上海晨華電爐有限公司) 中燒結(jié)。

1.3性能測試

采用捷克TESCAN公司的VEGA II型掃描電鏡 (SEM) 觀察燒結(jié)試樣的顯微結(jié)構(gòu)；采用密度天平測定燒結(jié)試樣的容重，再由容重、理論密度和氣孔率之間的關(guān)系式計算出氣孔率；采用濟(jì)南時代試金儀器有限公司的WDW-E100D型電子萬能力學(xué)實驗機(jī)測定燒結(jié)試樣的抗壓強度，測試采用的試樣尺寸為Φ75 mm × 58 mm，加載速率為5 N/min。

圖1 燒結(jié)溫度對多孔材料氣孔率的影響

Figure 1 Effect of sintering temperature on the porosity of porous materials

圖2 燒結(jié)溫度對多孔材料抗壓強度的影響

Figure 2 Effect of sintering temperature on the compressive strength of porous materials

2結(jié)果與討論

2.1燒結(jié)溫度對石英質(zhì)多孔材料孔結(jié)構(gòu)的影響

按助燒劑9.6 wt% 和發(fā)泡劑0.4 wt% 配料，以水料比為0.9進(jìn)行球磨獲得料漿并制備坯體；將坯體在不同溫度下保溫1 h，測定了所得樣品的氣孔率和抗壓強度，結(jié)果如圖1和圖2所示。可以看出，隨著燒結(jié)溫度升高，石英質(zhì)多孔材料的氣孔率先增大后降低，抗壓強度則先降低后增大。

圖3為樣品的顯微結(jié)構(gòu)SEM照片。由圖3可以看出，燒結(jié)溫度為1150°C時材料處于欠燒狀態(tài)，氣孔較多。燒結(jié)溫度上升到1175°C時，石英質(zhì)多孔材料的孔隙變少。隨著燒結(jié)溫度的升高，氣孔率呈上升趨勢，這主要是因為隨著燒結(jié)溫度升高，液相量增多，部分小氣泡被液相包裹；溫度的升高將導(dǎo)致小氣泡的體積逐漸增大，最終形成大氣孔，使氣孔率增大，坯體中呈現(xiàn)碗狀的閉氣孔；這些閉氣孔進(jìn)一步發(fā)生位移并發(fā)生合形成大氣孔，甚至出現(xiàn)穿孔[9,11]，致使密度下降，氣孔率上升，如圖3所示。燒結(jié)溫度越高，多孔材料中的液相就越多，液相填充到孔隙內(nèi)，小孔逐漸消失且燒結(jié)頸變大，最終使得材料中骨架逐漸增大。

Figure 3 Effect of sintering temperature on pore microstructure of porous materials

因此，綜合燒結(jié)溫度、氣孔率和抗壓強度三個方面性能比較，擇優(yōu)選取，在氣孔率相似，則優(yōu)先選取抗壓強度高的條件，為了得到一個最好的結(jié)合點，燒結(jié)溫度選擇為1175°C較為適宜。

2.2保溫時間對石英質(zhì)多孔材料孔結(jié)構(gòu)的影響

按助燒劑9.6 wt% 和發(fā)泡劑0.4 wt% 配料，以水料比為0.9進(jìn)行球磨獲得料漿并制備坯體；而后將坯體在1175°C溫度燒結(jié)，通過改變保溫時間獲得了不同樣品并進(jìn)行檢測。圖4為所得樣品的氣孔率隨保溫時間的變化關(guān)系，圖5則給出了所得樣品的抗壓強度隨保溫時間的變化關(guān)系。

圖4保溫時間對多孔材料氣孔率的影響

Figure 4 Effect of holding time on the porosity of porous materials

圖5保溫時間對多孔材料抗壓強度的影響

Figure 5 Effect of holding time on the compressive strength of porous materials

從圖4可以看出，隨著保溫時間的延長，石英質(zhì)多孔材料的氣孔率呈降低趨勢；這是因為隨著保溫時間的延長，多孔材料中的液相會逐漸增多并填充到孔隙內(nèi)，排除孔隙中的氣體，導(dǎo)致氣孔數(shù)量減少[8,12]。相應(yīng)地，材料的抗壓強度明顯增大 (圖5)。

圖6所示的SEM照片也證實，隨著保溫時間的延長，石英質(zhì)多孔材料氣孔率呈下降趨勢。從圖6可以看出，保溫1 h時，多孔材料氣孔較多，當(dāng)保溫時間延長到2 h時氣孔有所減少。

圖6保溫時間對多孔材料孔結(jié)構(gòu)的影響

Figure 6 Effect of holding time on the pore microstructure of porous materials

比較圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，保溫時間從0.5 h增加到2 h，導(dǎo)致的氣孔率變化量并不大，但是抗壓強度卻相應(yīng)上升了一個級別。注意到保溫時間從0.5 h增加1 h這一階段，抗壓強度變化迅速。保溫時間越長，消耗電能越多。因此，綜合性價比考慮，保溫1 h是一個較為適宜的選擇。

2.3水料比對石英質(zhì)多孔材料孔結(jié)構(gòu)的影響

按助燒劑9.6 wt% 和發(fā)泡劑0.4 wt% 配料，在不同水料比條件下進(jìn)行球磨獲得料漿并制備坯體；而后將坯體在1175°C溫度下燒結(jié)1 h獲得了不同樣品。圖7為所得樣品的氣孔率隨保溫時間的變化關(guān)系，圖8則給出了所得樣品的抗壓強度隨保溫時間的變化關(guān)系。

圖7水料比對多孔材料氣孔率的影響

Figure 7 Effect of the ratio of water to raw materials on the porosity of porous materials

圖8水料比對多孔材料抗壓強度的影響

Figure 8 Effect of the ratio of water to raw materials on the compressive strength of porous materials

由圖7和圖8可知，隨著水料比的逐漸增大，石英質(zhì)多孔材料的氣孔率逐漸增大，而抗壓強度則逐漸降低。這是因為當(dāng)球磨時加入水量增多，水在漿體中所占領(lǐng)的位置就越多，干燥后，水占領(lǐng)的位置就成為坯體中的空隙，最后導(dǎo)致氣孔率呈增大趨勢，而抗壓強度相應(yīng)即呈降低趨勢。

從圖9所示的SEM照片可以看出，當(dāng)水料比為0.8時，其成品與水料比為0.9和1.0的情況相比氣孔率最小，顯現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)更統(tǒng)一且更致密。水料比為1.0時可以看到樣品掃描時有放電現(xiàn)象，這是因為其氣孔率太大導(dǎo)致了噴金過程中連續(xù)金屬導(dǎo)電膜的形成受到了一定阻礙。水料比為0.8時消耗的混料很多，在混料的過程中容器壁會黏結(jié)很多原料，混料之后不易清除，不利于大規(guī)模。因此，考慮到成本因素，選擇水料比為0.9較為適宜。

圖9水料比對多孔材料顯微結(jié)構(gòu)的影響

Figure 9 Effect of ratio between water and raw materials on pore microstructure of porous materials

2.4發(fā)泡劑含量對石英質(zhì)多孔材料孔結(jié)構(gòu)的影響

按助燒劑和發(fā)泡劑總量為10 wt%配料，系統(tǒng)改變發(fā)泡劑含量，在水料比為0.9的條件下進(jìn)行球磨獲得料漿并制備坯體；而后將坯體在1175°C溫度下燒結(jié)1 h獲得了不同樣品。圖10為所得樣品的氣孔率隨保溫時間的變化關(guān)系，圖11則給出了所得樣品的抗壓強度隨保溫時間的變化關(guān)系。

圖10發(fā)泡劑含量對多孔材料氣孔率的影響

Figure 10 Effect of foaming agent content on the porosity of porous materials

圖12發(fā)泡劑含量對多孔材料抗壓強度的影響
Figure 12 Effect of foaming agent content on the compressive strength of porous materials

由圖10可以看出，石英質(zhì)多孔材料的氣孔率隨著發(fā)泡劑含量的增加而增大。這是因為發(fā)泡劑含量越高，在漿體發(fā)泡過程中所獲得的氣泡就越多，相應(yīng)地坯體中的氣孔就越多。但是，當(dāng)發(fā)泡劑含量過高，在漿體發(fā)泡過程中會形成較多的大氣泡，如圖12所示。

對比圖10和圖11可以看出，材料的抗壓強度與氣孔率幾乎成反比關(guān)系：發(fā)泡劑含量逐漸增大，其抗壓強度逐漸遞減。結(jié)合氣孔率和抗壓強度綜合考慮，發(fā)泡劑含量選擇為0.4 wt% 較為適宜。

圖12發(fā)泡劑含量對多孔材料孔結(jié)構(gòu)的影響

Figure 12 Effect of foaming agent content on pore microstructure of porous materials

3結(jié) 論

通過對實驗結(jié)果的分析和討論，得出：(1) 隨著燒結(jié)溫度的升高，石英質(zhì)多孔材料的氣孔率升高，抗壓強度下降；(2) 隨著保溫時間的延長，石英質(zhì)多孔材料的氣孔率降低，抗壓強度明顯升高；(3) 隨著漿料中水料比的逐漸增大，石英質(zhì)多孔材料的氣孔率逐漸增大，而抗壓強度逐漸降低；(4) 隨著發(fā)泡劑含量的增加，石英質(zhì)多孔材料的氣孔率升高，抗壓強度則逐漸遞減。通過優(yōu)化得出制備石英質(zhì)多孔材料的最佳配料比例為：石英砂60 wt%、高嶺土30 wt%、助燒劑9.6 wt%、發(fā)泡劑0.4 wt%；在水料比為0.9的條件下球磨2 h制漿發(fā)泡，在1175°C溫度燒結(jié)1 h，可以制備得到性能較佳的石英質(zhì)多孔材料。

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Effect of Process Parameters on the Pore Properties of

WANG Fang, YU Si-Yuan, LI Yao-Qi, LI Shi-Zhe, LI Xin, QIU Zhi-Wen, SONG Jie-Guang, LI Shi-Bin

Engineering & Technology Research Center for Materials Surface Remanufacturing of Jiangxi Province, School of Mechanical and Materials Engineering, Jiujiang University, Jiujiang 332005, China

Quartz porous materials were prepared via vacuum sintering with the low-grade quartz sand along the Yangtze River as the main raw material. The effect of process parameters on the pore properties of the porous materials was examined. It was found by analyzing the experimental data that, with the increasing sintering temperature, or/and the increasing ratio of the water to raw materials, and/or the increasing content of foaming agent, the porosity of quartz porous materials increases and the compressive strength decreases. When the holding time during sintering increases, however, the porosity of the prepared materials decreases and the compressive strength increases. The optimal composition for preparing the quartz porous materials was determined to be 60 wt% quartz sand, 30 wt% Kaoline, 9.6 wt% sintering aids and 0.4 wt% foaming agent. With this composition, quartz porous materials with best properties can be obtained by bill-milling slurry for 2 h with the ratio of water to raw materials of 0.9, and then vacuum-sintering the green body at 1175°C for 1h.

Quartz; Porous materials; Pore property; Vacuum sintering

TB321

1005-1198 (2016) 06-0442-07

A

10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2016.09.004

2016-09-27

2016-11-06

江西省教育廳科技項目 (GJJ151074)；九江學(xué)院科技項目 (2015LGYB11)。

王 芳(1985-), 女, 河北保定人, 實驗師。E-mail: aprilfang@163.com。

宋杰光 (1977-), 男, 四川岳池人, 副教授。E-mail: songjieguang@163.com。