SiC多孔陶瓷的研究與制備*

江 超 余少華 余開(kāi)明

(中國(guó)輕工業(yè)陶瓷研究所 江西 景德鎮(zhèn) 333000)

前言

SiC多孔陶瓷是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有很多氣孔的新型功能材料。由于具有低密度、高強(qiáng)度、高氣孔率、高滲透性、比表面積大、抗腐蝕、抗氧化、良好的隔熱性、抗熱震性和耐高溫性等特性，SiC多孔陶瓷在一般工業(yè)領(lǐng)域及高科技領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。例如，可用作高溫氣體凈化器、柴油機(jī)排放的固體顆粒過(guò)濾器、熔融金屬過(guò)濾器、熱交換器、傳感器、保溫盒隔音材料、汽車尾氣的催化劑載體等[1～3]。此外，它們?cè)谏镝t(yī)用領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用前景。SiC多孔陶瓷材料的應(yīng)用已遍及冶金、化工、電子、能源、航空、環(huán)保和生物等多個(gè)領(lǐng)域[4]。

添加造孔劑法是制備多孔陶瓷最常用的一種工藝，該工藝是通過(guò)在陶瓷配料中添加造孔劑，利用造孔劑在坯體中占據(jù)一定的空間，然后經(jīng)過(guò)燒結(jié)，造孔劑離開(kāi)基體而成氣孔來(lái)制備多孔陶瓷[5～6]。該工藝流程與普通的陶瓷工藝流程相似，這種工藝方法在于造孔劑種類、用量以及燒成溫度的選擇。本課題利用造孔劑法制備SiC多孔陶瓷，研究制備工藝對(duì)SiC多孔陶瓷性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)所用原料

線切割廢砂漿中浮選出的SiC(中位徑10 μm，江西威富爾新能源有限公司)、蘇州土(蘇州陽(yáng)山加工廠)、炭粉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、木屑(景德鎮(zhèn)市永興家具制造廠)、聚乙烯醇(上海久億化學(xué)試劑有限公司)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

配置PVA溶液(聚乙烯醇∶水=1∶10質(zhì)量比)，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.1%，備用。分別取浮選SiC作為骨料和造孔劑按照一定配比配料，加入蒸餾水后進(jìn)行球磨，料、球、水比為1.0∶2.0∶0.8，球磨30 min，烘干后過(guò)60目篩，然后外加一定量的PVA在研缽中混勻，烘干入袋。在20 MPa的壓力下干壓成形，壓制成條狀，烘干后在一定溫度下進(jìn)行煅燒。燒成結(jié)束后，將得到的試條進(jìn)行測(cè)試。

1.3 測(cè)試

采用阿基米德排水法來(lái)測(cè)定試樣的吸水率、氣孔率和體積密度；用西安力創(chuàng)技術(shù)公司W(wǎng)DW-10微機(jī)控制電子萬(wàn)能機(jī)三點(diǎn)抗折強(qiáng)度測(cè)定試樣的抗折強(qiáng)度；采用德國(guó)Bruker AXS D8-Advance型X射線衍射儀對(duì)制備的多孔陶瓷粉體的物相進(jìn)行分析。使用日本(JEOL)JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)燒成后的SiC多孔陶瓷形貌進(jìn)行了表征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 木屑作為造孔劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

木屑是一種價(jià)格低廉、不污染環(huán)境的材料，呈纖維狀，高溫燃燒放出大量氣體，殘留雜質(zhì)較少，不與SiC多孔陶瓷反應(yīng)，較適合做造孔劑[7]。加入造孔劑的量定在10%。分4組不同溫度進(jìn)行燒成，分別為1 200 ℃、1 240 ℃、1 280 ℃和1 320 ℃[7]，并對(duì)其吸水率A、體積密度D、氣孔率P以及抗折強(qiáng)度σ進(jìn)行測(cè)試表征，見(jiàn)表1。

表1 以木屑為造孔劑在不同溫度下燒成多孔陶瓷的性能參數(shù)

從圖1和圖2中可以看出，4種溫度下試樣各性能的變化趨勢(shì)，試樣在1 280 ℃時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值55.29 MPa，氣孔率較高為32.37%，體積密度為1.83 g/cm3。1 200 ℃燒成時(shí)，SiC多孔陶瓷有開(kāi)裂現(xiàn)象，強(qiáng)度較低只有19.93 MPa；隨著溫度的上升，試樣抗折強(qiáng)度提高，在1 280 ℃時(shí)達(dá)到最大值，在1 320 ℃下反而下降，從而選取在1 280 ℃燒成溫度下以木屑為造孔劑的SiC多孔陶瓷進(jìn)行SEM形貌分析和XRD成分表征，分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖1 造孔劑木屑為10%在四種溫度下的SiC多孔陶瓷的氣孔率和體積密度

圖2 10%木屑為造孔劑在四種溫度下的SiC多孔陶瓷的抗折強(qiáng)度

圖3是在1 280 ℃燒成溫度下的SiC多孔陶瓷的SEM照片，從SEM照片中可以看出，試樣中有許多氣孔，氣孔是由顆粒與顆粒之間堆積而成，最大氣孔大小在10 μm左右。圖4是1 280 ℃燒成溫度下SiC多孔陶瓷的XRD譜圖，對(duì)應(yīng)的pdf卡片為29-1131、65-0360、29-0085以及峰值，可知產(chǎn)物為α-SiC、β-SiC和SiO2，產(chǎn)物中有SiO2的生成，表明有部分碳化硅被氧化。

圖3 在1 280 ℃燒成溫度下以木屑為造孔劑的SiC多孔陶瓷的SEM圖片

圖4 在1 280 ℃燒成溫度下以木屑為造孔劑的SiC多孔陶瓷的XRD譜圖

2.2 炭粉作為造孔劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

炭粉呈片狀，大顆粒的炭粉顆粒尺寸為30 μm，燃燒后的產(chǎn)物為CO2氣體，固體殘留物少，且不污染環(huán)境，也適合做造孔劑[8]。加入造孔劑的量也定在10%，以1 200 ℃、1 240 ℃、1 280 ℃和1 320 ℃4個(gè)不同溫度下進(jìn)行燒成,對(duì)樣品的吸水率A、體積密度D、氣孔率P以及抗折強(qiáng)度σ進(jìn)行測(cè)試表征，見(jiàn)表2。

表2 以炭粉為造孔劑在不同溫度下多孔陶瓷的性能參數(shù)

圖5為10%炭粉為造孔劑在四種溫度下多孔陶瓷的氣孔率和體積密度，圖6為10%炭粉為造孔劑在4種溫度下多孔陶瓷的抗折強(qiáng)度?？梢园l(fā)現(xiàn)，試樣在1 320 ℃時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值為31.89 MPa，在1 280 ℃時(shí)氣孔率較高為40.31%，體積密度最小為1.69，樣品燒成情況也很好。1 200 ℃和1 240 ℃燒成時(shí)，SiC多孔陶瓷有開(kāi)裂現(xiàn)象，強(qiáng)度較低只有16.21 MPa和25.01 MPa，從而選取1 280 ℃為最優(yōu)組進(jìn)行SEM形貌分析和XRD成分表征，分別見(jiàn)圖7、圖8。

圖5 10%炭粉為造孔劑在四種溫度下的SiC多孔陶瓷的氣孔率和體積密度

圖6 10%炭粉為造孔劑在四種溫度下的SiC多孔陶瓷的抗折強(qiáng)度

圖7 在1 280 ℃燒成溫度下以炭粉為造孔劑的SiC多孔陶瓷的SEM圖片

圖7是在1 280 ℃燒成溫度下以炭粉為造孔劑的SiC多孔陶瓷的SEM照片。從SEM照片中可以看出，試樣斷面有很多氣孔。這些氣孔一部分是由顆粒和顆粒堆積而形成的，另一部分是由于炭粉在空氣中燃燒生成二氧化碳，在燒成過(guò)程中逸出而產(chǎn)生的，試樣中Si的含量是一定的且所占比例很少，在空氣中和氧氣反應(yīng)生成少量的SiO2，最大氣孔大小在10 μm左右。圖8是1 280 ℃燒成溫度下以炭粉為造孔劑的SiC多孔陶瓷XRD譜圖，對(duì)應(yīng)的pdf卡片為29-1131、65-0360、29-0085以及峰值，可知燒成產(chǎn)物為α-SiC、β-SiC和SiO2。

圖8 在1 280 ℃燒成溫度下以炭粉為造孔劑的SiC多孔陶瓷的XRD譜圖

3 結(jié)論

(1)以木屑為造孔劑來(lái)制備SiC多孔陶瓷，選取上一章的浮選SiC作為骨料取85%，5%蘇州土為陶瓷結(jié)合劑，10%的木屑為造孔劑，蒸餾水為分散介質(zhì)進(jìn)行配料在1 280 ℃燒成時(shí)，抗折強(qiáng)度可達(dá)到55.29 MPa，氣孔率為32.37%，體積密度為1.83 g/cm3，樣品燒成情況良好。

(2)以炭粉為造孔劑來(lái)制備SiC多孔陶瓷，選取的浮選SiC作為骨料取85%，5%蘇州土為陶瓷結(jié)合劑，10%的炭粉為造孔劑，蒸餾水為分散介質(zhì)進(jìn)行配料同樣在1 280 ℃燒成時(shí)，氣孔率最高為40.31%，體積密度為1.69 g/cm3，樣品燒結(jié)良好。