MgO對原位反應(yīng)燒結(jié)SiC/莫來石多孔陶瓷性能的影響

徐德刊 光 亮 彭文博

(江蘇久吾高科技股份有限公司，南京 211806）

0 引 言

SiC多孔陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、耐熱沖擊性好等特點(diǎn)，在氣體凈化、分離、催化劑載體及水處理等方面具有廣泛的應(yīng)用，但由于Si-C的強(qiáng)共價(jià)鍵，純SiC多孔陶瓷的燒結(jié)溫度通常高于2 000 ℃，這將限制其發(fā)展與應(yīng)用。目前添加燒結(jié)助劑來降低SiC多孔陶瓷的燒結(jié)溫度是最簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的方法之一，在空氣氣氛下燒結(jié)時(shí)，SiC陶瓷顆粒表面容易氧化生成SiO2，通過添加燒結(jié)助劑及氧化鋁，促使其通過原位反應(yīng)在較低的溫度下生成莫來石結(jié)合相，而莫來石具有與SiC相近的熱膨脹系數(shù)，耐腐蝕及抗熱震性好，因而常被用作SiC陶瓷的結(jié)合相，不僅能有效降低其燒結(jié)溫度，而且能改善其機(jī)械性能。

本研究添加不同含量的MgO制備SiC/莫來石多孔陶瓷，通過研究不同MgO含量和不同燒結(jié)溫度下的SiC/莫來石多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度、顯氣孔率、氣體滲透率、物相組成和顯微結(jié)構(gòu)，確定最佳MgO含量和最佳燒結(jié)溫度，從而制備出性能優(yōu)異的SiC/莫來石多孔陶瓷。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)原料為純度99%、粒度為60 μm的SiC微粉(山東金蒙新材料股份有限公司)，純度為99.5%、粒度為5 μm的Al2O3微粉(山東鋁業(yè)公司)，純度為99.5%的輕質(zhì)MgO(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，酚醛樹脂(山東濟(jì)寧華凱樹脂有限公司)。采用固相反應(yīng)法制備SiC/莫來石多孔陶瓷，步驟如下：SiC和Al2O3按80：20（質(zhì)量比）配料，分別添加占SiC和Al2O3總質(zhì)量的 0 wt%、1 wt%、2 wt% 和 4 wt% 的 MgO(分別標(biāo)記為M0、M1、M2、M4)，將上述混合料與鋯球質(zhì)量比為1：1加入到輥磨罐中，輥磨混合24 h，過篩，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的酚醛樹脂溶液造粒，經(jīng)120 MPa干壓制成55*8*7 mm的長條生坯和直徑為40 mm*5 mm的圓形生坯，將生坯置于電熱鼓風(fēng)烘箱中 80 ℃固化干燥，在空氣氣氛下 1 250 ～ 1 450 ℃保溫 3 h 燒成。

1.2 測試與表征

采用阿基米德排水法測定樣品的孔隙率，采用深圳三思試驗(yàn)儀器有限公司的萬能試驗(yàn)機(jī)(跨距為30 mm，載荷為0.5 mm/min)測試樣品三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，采用美國熱電公司的ARLVXTRA X射線衍射儀對樣品物相組成進(jìn)行分析表征，采用達(dá)西定律測定氣體滲透率，采用場發(fā)射掃描電鏡對微觀形貌進(jìn)行分析表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 MgO添加量對抗彎強(qiáng)度和顯氣孔率的影響

圖1和圖2分別為在空氣氣氛不同燒成溫度下MgO添加量對SiC/莫來石多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度和顯氣孔率的影響。由圖可知，隨著燒成溫度的增加，抗彎強(qiáng)度逐漸增加，顯氣孔率逐漸降低。在1 300 ℃時(shí)，隨著MgO的含量增加，抗彎強(qiáng)度由12 MPa增加到38.6 MPa。隨著MgO添加量的增加，顯氣孔率急劇降低，當(dāng)MgO添加量為4 wt%時(shí)，燒成溫度在1 300 ℃以上，顯氣孔率均小于30%，一般而言多孔陶瓷的顯氣孔率要求在30%以上。MgO的添加有效地促進(jìn)SiC/莫來石多孔陶瓷的燒成，結(jié)合XRD圖和SEM圖可知，隨著MgO含量的增加，合成莫來石相的溫度降低，最佳燒成溫度和MgO添加量選擇的原則是滿足一定抗彎強(qiáng)度的前提下，盡可能地提高SiC/莫來石多孔陶瓷的顯氣孔率。綜上可知，當(dāng)MgO含量為2 wt%時(shí)，在空氣氣氛下1 300 ℃保溫3 h制備的樣品綜合性能較佳，抗彎強(qiáng)度為36.9 MPa，顯氣孔率為34.9%。

圖1 大順壺

圖1 MgO添加量對SiC/莫來石多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響

圖2 MgO添加量對SiC/莫來石多孔陶瓷顯氣孔率的影響

2.2 MgO添加量對氣體滲透率的影響

圖3為添加不同含量的MgO的樣品在1 300 ℃溫度下燒成后的氣體滲透率。從圖3中可以看出，隨著MgO含量從0 wt%逐漸增加到4 wt%，氣體滲透率逐漸降低，從 686 m3/(m2·h·KPa)逐漸降到 326 m3/(m2·h·KPa)，尤其當(dāng)MgO含量達(dá)到4 wt%時(shí)，氣體滲透率急劇降低。這是由于隨著MgO含量的增加，生成的液相越來越多(見圖6)，過多的液相會將連續(xù)的貫通孔填充，從而降低顯氣孔率，進(jìn)而降低樣品的氣體滲透率。

圖3 不同MgO添加量的SiC/莫來石多孔陶瓷在1 300 ℃燒成的氣體滲透率

2.3 MgO添加量對物相組成的影響

圖4為不添加MgO的SiC/莫來石多孔陶瓷在1 300 ℃和 1 450 ℃燒成的 XRD 圖。圖5為添加不同含量的MgO的樣品經(jīng)1 300 ℃燒后的XRD圖。從圖4中可以看出不添加MgO，在1 300 ℃時(shí)未合成莫來石，而在1 450 ℃生成了莫來石。從圖5中可以看出，添加不同含量的MgO的樣品的主晶相均為ɑ-SiC和SiO2相，隨著MgO含量的增加，Al2O3的峰的衍射強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)MgO的添加量為4 wt%時(shí)，Al2O3的峰消失去，同時(shí)有莫來石相峰出現(xiàn)，說明MgO的添加促進(jìn)莫來石在較低的溫度合成，從而促進(jìn)SiC/莫來石多孔陶瓷在較低溫度燒成。

圖4 不添加MgO在1 300 ℃和1 450 ℃燒成的XRD圖

圖5 不同MgO添加量的SiC/莫來石多孔陶瓷在1 300 ℃燒成的XRD圖

2.4 MgO添加量對顯微結(jié)構(gòu)的影響

圖6為添加不同含量的MgO的樣品經(jīng)1 300 ℃燒后的SEM圖。從圖6中可以看出，當(dāng)不添加MgO在1 300 ℃燒成時(shí)，Al2O3和 SiC 顆粒表面的 SiO2反應(yīng)生成莫來石不能很好地將粗SiC顆粒結(jié)合起來，會影響其機(jī)械性能。隨著MgO含量的增加，生成的低共融化合物作為結(jié)合相分布在SiC顆粒之間，因而強(qiáng)度逐漸增加，顯氣孔率逐漸降低。當(dāng)MgO的添加量為1 wt%和2 wt%時(shí)，SiC顆粒之間有少量的液相生成，增加了SiC顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，但是當(dāng)MgO的添加量為4 wt%時(shí)生成大量的液相，會導(dǎo)致孔隙率和氣體滲透率急劇降低，所以MgO添加量在1 wt%和2 wt%時(shí)較為合適。

圖6 不同MgO添加量的SiC多孔陶瓷在1 300 ℃燒成的SEM圖

3 結(jié) 論

（1）MgO作為SiC/莫來石多孔陶瓷的燒結(jié)助劑，能有效促進(jìn)SiC/莫來石多孔陶瓷在較低的溫度下燒成。

（2）隨著MgO含量的增加，SiC/莫來石多孔陶瓷的顯氣孔率降低，抗折強(qiáng)度增加，氣體滲透率降低，當(dāng)MgO 含量為2 wt%，在空氣氣氛下1 300 ℃保溫3 h制備的樣品綜合性能較佳，抗彎強(qiáng)度為36.9 MPa，顯氣孔率為34.9%，氣體滲透率543 m3/(m2·h·KPa)。