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陈少静泡沫陶瓷具有气孔率高、比表面积大、抗热震、耐高温、耐化学腐蚀及良好的机械强度和过滤吸附性能,可广泛应用于热交换材料、布气材料、隔热隔音材料、汽车尾气装置、净化冶金工业过滤熔融态金属、热能回收、轻工喷涂行业、工业污水处理等,还用作化学催化剂载体、电解隔膜及分离分散元件等[1-3].
碳化硅陶瓷具有优良的综合性能,是制备泡沫陶瓷的首选材料之一.但是碳化硅属于共价键材料,烧结十分困难,必须采用特殊的加工工艺,甚至采用第二相结合等方法制备碳化硅陶瓷.而莫来石的烧结性能优于碳化硅.莫来石耐火度较高(1 910℃以上),硬度大,具有高温力学性能好、热膨胀系数低、密度小、化学稳定性和热稳定性高等优点,其热性能和物理化学性能均可同碳化硅性能相匹配.故研究莫来石结合碳化硅泡沫陶瓷过滤器具有很重要的意义[4-5].目前很少有关于莫来石-碳化硅泡沫陶瓷过滤器研制方面的报道.
本文在莫来石结合碳化硅泡沫陶瓷过滤器中添加富铈混合碳酸稀土,改善陶瓷的烧结性能,提高陶瓷的致密度,从而提高陶瓷材料的性能.
1 实验部分
1.1 实验原料
1.2 浆料的制备及样品成型
将水与硅溶胶混合,搅拌均匀后,加入碳化硅、氧化铝、高岭土、萤石及混合碳酸稀土等,搅拌30 min.加入微量的聚丙烯酰胺,再搅拌10 min,调制成固相质量分数在70 %左右、触变性较好的陶瓷浆料.
将裁制好的聚氨酯泡沫塑料浸泡在浆料中,待浆料充满其孔隙后,反复挤压揉搓,挤出多余的浆料,使浆料均匀挂浆,制成素坯,在室温下自然干燥.干燥后置于烘干炉内,在120℃下烘干3~4 h,将烘干后的坯体加热至600℃(泡沫的燃点以上),保温1 h,快速(平均8℃/min)加热至烧结温度,保温2 h,使陶瓷体充分烧结.样品烧结大致分为低温、中温和高温3个阶段.
(1)低温阶段即坯体的烘干期:为使自由水能够排出,避免在短时间内产生大量的气体而造成坯体开裂,将干燥后的素坯置于烘干炉内,在120℃下烘干3~4 h.
(2)中温阶段即泡沫挥发期:将烘干后的坯体以平均2℃/min的速度加热至600℃(泡沫的燃点以上),保温1 h,确保泡沫充分挥发.
(3)高温阶段即玻化成瓷期:以较快的速度(平均8℃/min)加热至烧结温度,在炉中直接保温0.5~2 h,使陶瓷体充分烧结,然后随炉冷却.
1.3 试样的表征
2 结果与分析
2.1 对泡沫陶瓷烧结性能的影响
添加剂碳酸稀土对试样性能的影响见表1.从表1可以看出样品中加入碳酸稀土时,陶瓷的烧结温度由1 450℃降低到1 400℃,烧结时间从2 h缩短为0.5 h.从图1可以看出在1 450℃保温1 h,泡沫陶瓷过滤器出现坍塌现象.
2.3 对泡沫陶瓷抗热震性的影响
由表1可知,样品中加入碳酸稀土后,陶瓷的抗热震性由5次提高到7次.图3为陶瓷过滤器的XRD图谱.由图3可知,未添加碳酸稀土陶瓷的主晶相为莫来石、碳硅石和方石英相,添加碳酸稀土后主晶相为莫来石、碳化硅和方石英相,且方石英相衍射峰较未添加碳酸稀土的陶瓷弱.
莫来石结合碳化硅陶瓷中的方石英相在冷、热循环条件下发生的高低温晶型转变,及伴随较大的体积变化将导致制品开裂、变形和损坏.通过矿化剂(碳酸稀土)的适量加入,减少了陶瓷中方石英的含量,因而,提高了泡沫陶瓷的抗热震性.
2.4 对泡沫陶瓷抗折强度的影响
由表1可知,加入质量分数3 %的碳酸稀土,泡沫陶瓷的抗折强度由1.11 MPa增加到1.89 MPa.由图3可知,泡沫陶瓷加入碳酸稀土后,生成了碳化硅相,减少了由于碳化硅转变为碳硅石相而产生的应力;同时由于稀土离子的半径较大,它不进入玻璃相网络而处于网络间隙之中,因而导致玻璃结构比较紧密,玻璃相黏度增大,陶瓷玻璃相中稀土氧化物在高温下能提高铝硅玻璃的黏度.高黏度的玻璃相在高温下能起到钝化裂纹的作用,从而缓冲应力,提高复相陶瓷的力学性能[8],同时试样的致密度提高,因而具有更高的抗折强度.
3 结 论
莫来石-碳化硅泡沫陶瓷过滤器中添加质量分数为3 %混合碳酸稀土,可优化陶瓷的性能:烧结温度由1 450℃降到1 400℃,烧结时间从2 h缩短为0.5 h,体积密度由0.59 g/cm3增加到0.65 g/cm3,抗热震性由5次提高到7次,抗折强度由1.11 MPa提高到1.89 MPa.未添加碳酸稀土过滤器的主晶相为莫来石、碳硅石和方石英相;添加碳酸稀土过滤器的主晶相为莫来石、碳化硅和方石英相,且方石英相的衍射峰较未添加碳酸稀土陶瓷弱.
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