郭興忠 朱 林 楊 輝 鄭志榮 高黎華

（1.浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)系，浙江杭州 310027；2.臺(tái)州東新密封有限公司，浙江臺(tái)州 317015）

0 引言

多孔陶瓷材料具有十分廣泛的應(yīng)用前景。例如，可以用作熔融金屬或熱氣體的高溫過濾器，醫(yī)學(xué)上臨床病菌等的微生物過濾，化學(xué)反應(yīng)過程中的過濾膜，催化劑載體等[1-3]。因此，研究開發(fā)新型多孔陶瓷材料具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。碳化硅多孔陶瓷是通過在碳化硅陶瓷基體中進(jìn)行人為可控造孔而成、具有一定孔隙率的新型功能材料，不僅擁有碳化硅本身的高強(qiáng)度、抗腐蝕、抗氧化、抗熱震性和耐高溫性等物化性能[4,5]，而且還具備低密度、高強(qiáng)度、高孔隙率、高滲透性、比表面積大、良好的隔熱性等特點(diǎn)，可廣泛用于高溫氣體凈化器、柴油機(jī)排放的固體顆粒過濾器、熔融金屬過濾器、熱交換器、傳感器、保溫和隔音材料、汽車尾氣的催化劑載體等，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[6,7]。

圖1 碳化硅多孔陶瓷的體積密度Fig.1 Bulk density of porous SiC ceramics

目前多孔陶瓷常用的造孔劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類，又根據(jù)造孔機(jī)理不同分為反應(yīng)造孔、有機(jī)物炭化造孔、聚合物分解造孔等。常用的造孔劑有無機(jī)類的加碳造孔，有機(jī)物淀粉、纖維素等聚合物造孔[8-10]。其中，淀粉由于其價(jià)格低廉，又有相對(duì)較好的造孔效果，是多孔陶瓷較佳的造孔劑之一。

本文以微米碳化硅基體，氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑，淀粉為造孔劑，采用無壓燒結(jié)技術(shù)制備碳化硅多孔陶瓷，分析了碳化硅多孔陶瓷的燒結(jié)性能和顯微結(jié)構(gòu)特征。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將碳化硅微粉，氧化鋁和氧化釔，不同含量的淀粉（0%，1%，3%，5%，10%，15%，20%）和水按一定質(zhì)量比倒入混料機(jī)中，高速攪拌1h，通過噴霧造粒后經(jīng)過壓制成型，在1950℃下燒結(jié)1h，燒結(jié)成碳化硅多孔陶瓷。

圖2 碳化硅多孔陶瓷的彎曲強(qiáng)度Fig.2 Bending strength of porous SiC ceramics

圖4 不同造孔劑含量陶瓷XRD圖Fig.4 XRD patterns of ceramics with different amounts of pore-forming agent

采用排水法測(cè)試多孔陶瓷的密度。采用燒結(jié)前后尺寸的變化，計(jì)算得到多孔陶瓷的收縮率。采用三點(diǎn)彎曲測(cè)試多孔陶瓷的強(qiáng)度。采用掃描電子顯微鏡(ZEISSULTRO 55)觀察碳化硅粉體的形貌。采用理學(xué)Rigaku.D/Max-RA 型X 射線衍射儀對(duì)合成SiC 粉體試樣進(jìn)行分析，測(cè)試條件為：Cu-Kα 射線，工作電壓40KV，工作電流80mA，2θ 范圍為10～80°，掃描速度為4°/min，步寬為0.02°。

2 結(jié)果與分析

2.1 造孔劑含量對(duì)多孔陶瓷的燒結(jié)性能和力學(xué)性能的影響

圖1 和圖2 是不同淀粉加入量下多孔碳化硅陶瓷的燒結(jié)性能和力學(xué)性能。從圖1 可以看出，碳化硅多孔陶瓷的密度隨著淀粉的加入量上升而下降，密度由3.21g/cm3降到2.72g/cm3。這是因?yàn)榛w中加入淀粉后，在燒結(jié)過程中，淀粉高溫炭化，形成大量氣孔，導(dǎo)致體積密度降低。從圖2 中可以看出，隨著淀粉加入量的提高，碳化硅多孔陶瓷的強(qiáng)度總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，陶瓷的強(qiáng)度由未加造孔劑的強(qiáng)度223MPa 下降到168MPa。這是因?yàn)樘蓟杼沾芍械矸鄹邷靥炕螽a(chǎn)生了大量的氣孔，從而降低了碳化硅陶瓷的力學(xué)性能。

2.2 多孔碳化硅陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)

圖3 是不同淀粉含量下多孔碳化硅陶瓷斷面的SEM 照片。從圖4 可以看出，隨著淀粉含量的增加，多孔碳化硅陶瓷的氣孔直徑和氣孔率都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，孔徑由最初的含量1%時(shí)的10μm 到含量20%時(shí)的20μm 以上?？梢?，高造孔劑含量時(shí)可以產(chǎn)生大的氣孔和較高的氣孔率。這也是為何碳化硅陶瓷的燒結(jié)性能和力學(xué)性能隨淀粉添加量的增加而提高的根本原因。

2.3 碳化硅多孔陶瓷的物相分析

圖4 是不同造孔劑含量下碳化硅多孔陶瓷的XRD 圖譜。從圖4 中看出，碳化硅多孔陶瓷中的主要物相有6H-SiC、4H-SiC、2H-SiC 等α-SiC 相，也有YAG、Al2O3、SiO2存在，YAG主要是Al2O3和Y2O3在1760℃形成，Al2O3可能是Y2O3發(fā)生揮發(fā)后形成無法與之形成YAG 而殘留下的，而SiO2則是SiC表面發(fā)生氧化所致。從不同造孔劑含量下碳化硅多孔陶瓷的不同衍射峰可以看出，多孔碳化硅陶瓷的物相組成基本保持不變，這表明淀粉的加入基本沒有影響碳化硅陶瓷的物相組成。

3 結(jié)論

以微米碳化硅基體，氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑，淀粉為造孔劑，采用無壓燒結(jié)技術(shù)制備出碳化硅多孔陶瓷。隨淀粉添加量的增加，所得碳化硅多孔陶瓷的密度和強(qiáng)度逐漸下降，而氣孔直徑則逐漸增大，氣孔率上升；但造孔劑含量對(duì)多孔碳化硅陶瓷的物相組成基本沒有影響。

1 ALVIN M A,LIPPERT T E,LANE J E.Ceram.Bull.,1991,70(9):1481～1498

2 ANONYM.Porousmaterials:expanding applications.Am.Ceram.Soc.Bull.,1992,71(12):1770～1776

3 沈君權(quán).微孔陶瓷固定化酶載體.工業(yè)陶瓷,1990,(1):12～20

4 李江,吳春冬,苗林.碳化硅陶瓷的低溫?zé)Y(jié)技術(shù)及進(jìn)展.江蘇陶瓷,2001,34(1):4～7.

5 佘繼紅,江東亮.碳化硅陶瓷的發(fā)展與應(yīng)用.陶瓷工程,1998,32(3):3～11

6 張銳,高濂,程國(guó)鋒,郭景坤.注漿成型SiC 多孔陶瓷的工藝和性能研究.無機(jī)材料學(xué)報(bào),2002,17(4):725～730.

7 孫穎,譚壽洪,江東亮.多孔碳化硅材料的制備及其催化性能.無機(jī)材料學(xué)報(bào),2003,18(4):830～836

8 王偉,薛濤,金志浩,喬冠軍.一種新型多孔SiC 的制備與性能研究.無機(jī)材料學(xué)報(bào),2008,23(1):109～113.

9 薛濤,王偉,金志浩.利用廢棄棉短絨制備多孔SiC 陶瓷及其性能的研究.稀有金屬材料與工程,2009,38:361～364

10 李媛,高積強(qiáng).電泳沉積制備多孔碳化硅/碳陶瓷生坯.稀有金屬材料與工程,2007,36:542～544