輕燒MgO粉對(duì)凝膠注模法制備MgAl2O4多孔陶瓷性能的影響

樸佳思 杜慶洋 唐鈺棟 白佳海

1）山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東淄博 255049

2）山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院有限公司 山東淄博 255049

MgAl2O4多孔陶瓷耐火度高、抗熱震性好、化學(xué)穩(wěn)定性佳，常用的制備方法為低溫燃燒法、干壓成型法和凝膠注模法等［1-3］。其中，凝膠注模法可以用來(lái)制備形狀復(fù)雜的MgAl2O4多孔陶瓷，應(yīng)用較廣。值得注意的是，在凝膠注模法中固化劑的選擇和使用起到重要的作用［4］，但是傳統(tǒng)的固化劑多為有毒性、合成過(guò)程復(fù)雜的有機(jī)物，不利于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用［5-7］；使用無(wú)毒的淀粉為固化劑制備的多孔陶瓷燒后線變化率大，容易導(dǎo)致多孔陶瓷開(kāi)裂［8-9］；最近，Yuan等［10-11］引入一種新的固化劑（ρ-Al2O3），用凝膠注模工藝制備了MgAl2O4多孔陶瓷，但是ρ-Al2O3的產(chǎn)量較低，價(jià)格較高，難以大規(guī)模生產(chǎn)。

與以上的固化劑相比，MgO粉具有無(wú)毒、價(jià)格低、易得等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于陶瓷工業(yè)中。特別是MgO粉與H2O接觸時(shí)，會(huì)水化反應(yīng)生成Mg（OH）2，從而使料漿中的MgAl2O4顆粒黏結(jié)在一起，達(dá)到固化效果［12-13］。但是MgO粉的比表面積較大，化學(xué)活性較高。在室溫下，部分MgO容易與H2O反應(yīng)生成水化產(chǎn)物Mg（OH）2，導(dǎo)致MgAl2O4料漿的黏度顯著增大，影響料漿的性能［14］。而輕燒MgO粉活性較低，在室溫下水化反應(yīng)的速度較慢，在球磨和攪拌過(guò)程中幾乎不會(huì)對(duì)MgAl2O4料漿的黏度造成影響，并且在80℃下能與H2O發(fā)生水化反應(yīng)，起到較好的固化效果。因此，本工作中選擇800℃煅燒后的輕燒MgO粉作為固化劑，探索輕燒MgO粉在凝膠注模法中的固化效果，研究了輕燒MgO粉外加量對(duì)MgAl2O4多孔陶瓷性能的影響。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)中所用的原料為：Al2O3粉，w（Al2O3）≥99%，d50＝1.1μm；MgO粉，w（MgO）≥98%，d50＝1.5μm；MgO粉在800℃下煅燒2 h制備的輕燒MgO粉，w（MgO）≥98%，d50＝1.7μm；分散劑Na5P3O10。

首先，將Al2O3粉和MgO粉按質(zhì)量比3∶1配料，放入行星式球磨機(jī)中干磨、混合。然后，將干磨后的混合粉料放入高溫爐中加熱到1 500℃保溫2 h，反應(yīng)合成MgAl2O4粉體。再將合成的MgAl2O4粉體和去離子水混合，外加0.2%（w）的分散劑Na5P3O10配制成固相體積分?jǐn)?shù)38%的懸浮液。用磁力攪拌器攪拌懸浮液4 h，以形成分散均勻的MgAl2O4漿料。接著，分別外加MgAl2O4漿料0.5%、1.0%、1.5%和2.0%（w）的輕燒MgO粉，繼續(xù)攪拌30 min，保證其分散均勻。此后將料漿放置在80℃的水浴中固化5 min，固化成型后在40℃的烘箱中烘10 d。最后，在空氣中于1 500℃保溫2 h制備MgAl2O4多孔陶瓷。

參照GB／T 5988—2007測(cè)定MgAl2O4多孔陶瓷燒后的線變化率，參照GB／T 1966—1996計(jì)算多孔MgAl2O4陶瓷的顯氣孔率和體積密度；用壓汞儀測(cè)定MgAl2O4多孔陶瓷的孔徑分布，采用北京BSD-PB泡壓法膜孔徑分析儀測(cè)試MgAl2O4多孔陶瓷的氣通量；利用德國(guó)D8 Advanced型X射線衍射儀分析多孔陶瓷的物相組成，利用荷蘭FEI Sirion 2000掃描電子顯微鏡觀察MgAl2O4多孔陶瓷斷面的顯微形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 物相組成

圖1示出了不同輕燒MgO粉外加量的MgAl2O4多孔陶瓷的XRD圖譜。從圖1可以看出：MgAl2O4多孔陶瓷的主晶相均為衍射峰較尖銳的MgAl2O4，沒(méi)有檢測(cè)到MgO的衍射峰。分析其原因?yàn)椋阂环矫妫p燒MgO粉的外加量較少，檢測(cè)儀器難以檢測(cè)到其衍射峰；另一方面，混合原料中Al2O3和輕燒MgO粉的質(zhì)量比為3∶1，而在MgAl2O4中Al2O3與MgO的理論質(zhì)量比是72∶28，即預(yù)合成MgAl2O4粉體中Al2O3的含量較多，外加的輕燒MgO粉可能會(huì)與多余的Al2O3反應(yīng)合成MgAl2O4。

圖1 不同輕燒MgO粉外加量的多孔陶瓷的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of porous MgAl2O4 ceramics prepared with various light burnt MgO additions

2.2 常規(guī)物理性能

圖2示出了輕燒MgO粉外加量對(duì)MgAl2O4多孔陶瓷燒后線收縮率的影響。從圖2可以看出：隨著輕燒MgO粉外加量的增加，MgAl2O4多孔陶瓷燒后線收縮率逐漸減小。當(dāng)輕燒MgO粉外加量（w）為0.5%時(shí)，MgAl2O4多孔陶瓷的燒后線收縮率為2.48%，而用淀粉作為固化劑，凝膠注模法制備的多孔陶瓷的燒后線收縮率大約是10%［9］。因此，以輕燒MgO粉作為固化劑，凝膠注模法制備的MgAl2O4多孔陶瓷的尺寸穩(wěn)定性較好，進(jìn)而不易發(fā)生變形和開(kāi)裂。

圖2 輕燒MgO粉外加量對(duì)MgAl2O4多孔陶瓷燒后線收縮率的影響Fig.2 Effects of light burnt MgO additions on permanent linear change rate on heating of porous MgAl2O4 ceramics

圖3示出了輕燒MgO粉外加量對(duì)MgAl2O4多孔陶瓷的顯氣孔率和體積密度的影響。從圖3可以看出：隨著輕燒MgO粉外加量的增加，MgAl2O4多孔陶瓷的顯氣孔率逐漸增加，體積密度逐漸降低。其主要原因是：漿料固化過(guò)程中，輕燒MgO粉與H2O生成水化產(chǎn)物Mg（OH）2，該水化反應(yīng)過(guò)程會(huì)消耗料漿中大量的自由水，且使得MgAl2O4顆粒黏結(jié)為一個(gè)整體。Mg（OH）2在較高的溫度下又會(huì)分解為H2O（g）和MgO，H2O（g）會(huì)從燒結(jié)體中釋放出來(lái)，并形成孔隙。因此，輕燒MgO粉在凝膠注模制備MgAl2O4多孔陶瓷的工藝中起著固化劑和成孔助劑的作用。因此，隨輕燒MgO粉外加量的增加，水化生成的Mg（OH）2增多，在燒結(jié)過(guò)程釋放H2O（g）也增多，形成的孔隙增多，導(dǎo)致MgAl2O4多孔陶瓷的顯氣孔率增加，體積密度降低。

圖3 輕燒MgO粉外加量對(duì)MgAl2O4多孔陶瓷顯氣孔率和體積密度的影響Fig.3 Effects of light burnt MgO additions on apparent porosity and bulk density of porous MgAl2O4 ceramics

2.3 孔徑分布

圖4示出了輕燒MgO粉外加量對(duì)MgAl2O4多孔陶瓷孔徑分布的影響。從圖4可以看出：MgAl2O4多孔陶瓷的孔徑主要分布在0.5～2.0μm。由此可見(jiàn)，以輕燒MgO粉作為固化劑，用凝膠注模法可以制備出具有小孔徑結(jié)構(gòu)的MgAl2O4多孔陶瓷，有望應(yīng)用于微過(guò)濾陶瓷膜領(lǐng)域。此外，輕燒MgO粉外加量（w）從0.5%增加至2.0%時(shí)，MgAl2O4多孔陶瓷的平均孔徑先顯著增大后基本不變。

圖4 輕燒MgO粉外加量對(duì)MgAl2O4 多孔陶瓷孔徑分布的影響Fig.4 Effects of light burnt MgO additions on pore size distribution of porous MgAl2O4 ceramics

2.4 氣通量

圖5示出了輕燒MgO粉外加量對(duì)MgAl2O4多孔陶瓷氣通量的影響。從圖5可以看出：在相同壓力下，隨著輕燒MgO粉外加量的增加，MgAl2O4多孔陶瓷的氣通量顯著增加。結(jié)合圖3和圖4可以看出，當(dāng)輕燒MgO粉外加量（w）由0.5%增加到2.0%時(shí)，MgAl2O4多孔陶瓷的顯氣孔率和平均孔徑都顯著增大。因此，顯氣孔率和平均孔徑同時(shí)影響MgAl2O4多孔陶瓷的氣通量。

圖5 輕燒MgO粉對(duì)MgAl2O4多孔陶瓷氣通量的影響Fig.5 Effects of light burnt MgO additions on gas flux of porous MgAl2O4 ceramics

2.5 顯微形貌

圖6示出了不同輕燒MgO粉外加量的MgAl2O4多孔陶瓷斷口的形貌。從圖6可以看出：隨著輕燒MgO粉外加量（w）從0.5%增加到2.0%，試樣斷面上氣孔數(shù)量逐漸增多（與圖3的結(jié)果一致），平均晶粒尺寸有所減?。ㄅc圖4的結(jié)果一致）。此外，當(dāng)輕燒MgO粉外加量（w）為0.5%時(shí)，MgAl2O4多孔陶瓷斷面上存在明顯的大尺寸晶粒，顯微結(jié)構(gòu)不均勻；當(dāng)輕燒MgO粉外加量（w）為1.5%和2.0%時(shí)，MgAl2O4多孔陶瓷斷面上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的較大尺寸晶粒，晶粒尺寸和顯微結(jié)構(gòu)較均勻。這是因?yàn)镸gO會(huì)包裹在MgAl2O4多孔顆粒表面，在燒結(jié)過(guò)程中，輕燒MgO粉阻礙了晶界的快速移動(dòng)，抑制了個(gè)別晶粒的異常長(zhǎng)大。因此，當(dāng)輕燒MgO粉外加量（w）為2.0%時(shí)，晶粒尺寸較均勻，進(jìn)而MgAl2O4多孔陶瓷斷面結(jié)構(gòu)較均勻。

圖6 不同輕燒MgO粉外加量的MgAl2O4多孔陶瓷的斷口形貌Fig.6 SEM micrographs of fracture surfaces of porous MgAl2O4 ceramics prepared with various light burnt MgO additions

3 結(jié)論

（1）以輕燒MgO粉為固化劑，用凝膠注模法成功制備了MgAl2O4多孔陶瓷。用輕燒MgO粉作為固化劑制備的MgAl2O4多孔陶瓷燒后線收縮率較低，尺寸穩(wěn)定性較好，且不易發(fā)生變形和開(kāi)裂。此外，MgO還能抑制MgAl2O4晶粒的異常長(zhǎng)大；

（2）隨著輕燒MgO粉外加量（w）從0.5%增加到2.0%，MgAl2O4多孔陶瓷的顯氣孔率和氣通量增大，體積密度降低，MgAl2O4平均晶粒尺寸減小。當(dāng)輕燒MgO粉外加量（w）為2.0%時(shí)，MgAl2O4多孔陶瓷的顯氣孔率和氣通量高，顯微結(jié)構(gòu)均勻，綜合性能最佳。