曾小軍，劉維良

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

氧化鋯泡沫陶瓷過(guò)濾板的制備與性能研究

曾小軍，劉維良

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

以氧化鋯(ZrO2)粉為主要原料，氧化鋁(Al2O3)粉和氧化釔(Y2O3)粉為燒結(jié)助劑，采用有機(jī)泡沫浸漬工藝制備出高性能氧化鋯泡沫陶瓷過(guò)濾板。研究了燒成溫度和保溫時(shí)間對(duì)樣品容重、抗熱震性和抗壓強(qiáng)度的影響。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、綜合熱分析儀、X射線衍射儀、掃描電鏡等對(duì)樣品性能進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)燒成溫度為1580 ℃，保溫時(shí)間為120 min時(shí)，制備的氧化鋯泡沫陶瓷過(guò)濾板性能最佳，其容重為0．452 g/cm3，抗熱震性為12次，抗壓強(qiáng)度為1．56 MPa。

氧化鋯；泡沫陶瓷；陶瓷過(guò)濾板；性能

0 引 言

泡沫陶瓷是三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，具有開(kāi)口氣孔率高、過(guò)濾面積大、過(guò)濾效率高、熱穩(wěn)定性好、抗金屬液沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。使其在過(guò)濾器[2]、催化劑載體、吸音隔熱材料[3]、布?xì)獠牧?、生物材料等方面作用顯著，廣泛應(yīng)用于節(jié)能、環(huán)保、食品、石油、冶煉、制藥、生物醫(yī)學(xué)等各種領(lǐng)域[4]。但目前泡沫陶瓷普遍存在強(qiáng)度低、氣孔易堵塞等問(wèn)題。ZrO2具有熔沸點(diǎn)高、硬度大、熱導(dǎo)率低、熱穩(wěn)定性好和高溫蠕變小等特性[5]。此外，ZrO2的馬氏體相變可起到相變?cè)鲰g、微裂紋增韌和彌散增韌等[6]增韌效果，可極大地提高陶瓷的韌性和強(qiáng)度。將ZrO2材料優(yōu)良的性能引入泡沫陶瓷，對(duì)于提高泡沫陶瓷的韌性和強(qiáng)度意義重大。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

ZrO2粉、Al2O3粉、Y2O3粉、氫氧化鈉(NaOH)和羧甲基纖維素(CMC)均為化學(xué)純；聚乙烯醇(PVA)濃度10%，硅溶膠濃度50%；滑石粉、木質(zhì)素磺酸鈣和膨潤(rùn)土均為工業(yè)純。

1.2 樣品制備

漿料按ZrO2∶Al2O3∶Y2O3∶滑石∶硅溶膠∶膨潤(rùn)土∶PVA∶木質(zhì)素磺酸鈣為60∶20∶3．2∶4∶10∶2∶0．5∶0．3的重量配比稱量后球磨，球磨后的漿料過(guò)250目篩。先用8wt．%的NaOH溶液浸泡聚氨酯泡沫4 h，沖洗后用2wt．%的CMC溶液浸泡聚氨酯泡沫3 h，然后將預(yù)處理的聚氨酯泡沫浸漬過(guò)篩后的漿料，室溫下涼干后90 ℃烘干，最后在高溫?zé)Y(jié)爐中1540 ℃、1560 ℃、1580 ℃、1600 ℃，保溫60 min、90 min、120 min、150 min燒制而成。

1.3 性能測(cè)試

采用西安力創(chuàng)儀器有限公司W(wǎng)DW-10型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)樣品抗壓強(qiáng)度，并用德國(guó)Netzsch公司STA449C型綜合熱分析儀對(duì)樣品進(jìn)行差熱分析(DSC)，采用德國(guó)Bruker公司D8-Advance型X射線衍射儀(XRD)對(duì)樣品進(jìn)行物相分析，采用日本JEOL公司JSM-6700F型掃描電鏡(SEM)觀察樣品的表面孔筋形貌。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 DSC差熱分析

圖1為樣品的DSC曲線。從圖1可知，在924．3 ℃和1322．4 ℃處有放熱峰，在1130．6 ℃和1360．5 ℃處有吸熱峰。924．3 ℃處較弱的放熱峰是由于燒結(jié)體中有少量的亞穩(wěn)態(tài)t-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)m-ZrO2。由圖2的XRD圖譜知燒結(jié)體中含有大量t-ZrO2相，而m-ZrO2相較少，這表明Y2O3有穩(wěn)定t-ZrO2的作用。這是由于晶格中Zr4+被摻入的Y3+所取代，氧空位提供了電荷補(bǔ)償，晶格中原有陽(yáng)離子被外來(lái)陽(yáng)離子取代之后，會(huì)抑制晶格的扭變，起到穩(wěn)定的作用。1130．6 ℃處明顯的吸熱峰是由于在此溫度下所添加的燒結(jié)助劑Al2O3和Y2O3相互作用形成釔鋁石榴石低共熔物，加上滑石粉的助溶效果，使燒結(jié)體中產(chǎn)生液相；1322．4 ℃處的放熱峰是由于燒結(jié)體中有固相析出而產(chǎn)生的；1360．5 ℃處較弱的吸熱峰是由于燒結(jié)體中存在的少量m-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閠-ZrO2導(dǎo)致的。

2.2 XRD物相分析

圖1 樣品的DSC曲線Fig.1 DSC curve of samples

圖2為樣品的XRD圖譜。從圖2可知，樣品主要有ZrO2相和Al2O3相，其中ZrO2大部分以t-ZrO2存在，m-ZrO2含量較少。其原因是一定量高彈性模量的Al2O3的添加可以有效地抑制ZrO2晶粒生長(zhǎng)，使ZrO2晶粒尺寸小于臨界相變顆粒尺寸[7]，從而抑制t-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2，使大量的亞穩(wěn)態(tài)t-ZrO2存在于基本中。此外，Y2O3具有穩(wěn)定ZrO2的作用。t-ZrO2和m-ZrO2同時(shí)存在，表明微裂紋增韌、相變?cè)鲰g、彌散增韌等增韌機(jī)制都存在，這極大地提高了泡沫陶瓷的韌性和強(qiáng)度。相反，若添加過(guò)多的Al2O3會(huì)不利于泡沫陶瓷的致密化，抑制ZrO2晶粒生長(zhǎng)的作用減弱，導(dǎo)致大量的m-ZrO2相存在，韌性和強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)降低。

2.3 形貌結(jié)構(gòu)觀察

圖3為20 ppi的樣品實(shí)物照片。從圖3可知，燒制的樣品規(guī)整度較好，氣孔相互貫通，結(jié)構(gòu)保留了泡沫的三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。圖3顯示大部分泡沫孔筋之間未被漿料堵塞，樣品氣孔率較高。

圖4為樣品不同倍數(shù)的SEM照片。從圖4(a)可知，樣品的顆?？桌庑螤钶^規(guī)則，棱角圓滑清晰；孔筋上沒(méi)有明顯的氣孔缺陷，表明強(qiáng)度較高。從圖4(b)可知，樣品孔棱結(jié)合比較緊密并大量連成片狀的整體，孔棱上含有的氣孔較少，且分布比較均勻。

2.4 燒成溫度對(duì)樣品性能的影響

圖2 樣品的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of samples

圖3 樣品的實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 The photo of sample

圖4 樣品不同倍數(shù)的SEM照片F(xiàn)ig.4 The SEM images of samples at different magnifications: (a) ×150; (b) ×2000

圖5 為燒成溫度與樣品容重、抗熱震性和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖。從圖5可知，隨著燒成溫度的提高，樣品的容重增大直至飽和，抗熱震性提高，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，燒成溫度為1580 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值。其原因是當(dāng)溫度較低時(shí)，燒結(jié)體大部分是顆粒堆積，氣孔率比較大；隨著溫度的提高，泡沫陶瓷的致密度不斷提高，氣孔率逐漸降低，使樣品的容重增大，抗熱震性提高。但此時(shí)晶粒發(fā)育不完全，晶粒尺寸小于相變臨界尺寸，不能發(fā)生相變，t-ZrO2含量較低，燒結(jié)體的力學(xué)性能較差；當(dāng)溫度升高到1580 ℃時(shí)，氣孔率繼續(xù)降低，晶?；景l(fā)育完全，t-ZrO2含量增加，抗壓強(qiáng)度增大。繼續(xù)提高溫度到1600℃甚至更高時(shí)，晶粒不斷長(zhǎng)大，但此時(shí)Y2O3穩(wěn)定機(jī)制[8]開(kāi)始失效，冷卻時(shí)m-ZrO2含量增加，泡沫陶瓷孔棱力學(xué)性能變?nèi)?。同時(shí)，晶粒過(guò)大，形成了粒徑大且多孔結(jié)構(gòu)，在冷卻時(shí)，晶粒過(guò)大的t-ZrO2轉(zhuǎn)變?yōu)閙-ZrO2，產(chǎn)生微裂紋，使抗壓強(qiáng)度減小。

圖5 燒成溫度與(a)容重、(b)抗熱震性和(c)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖Fig.5 Firing temperature dependence of (a) bulk density, (b) thermal shock resistance and (c) compressive strength

2.5 保溫時(shí)間對(duì)樣品性能的影響

圖6為保溫時(shí)間與樣品容重、抗熱震性和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖。從圖6可知，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品的容重先增大后減小，抗熱震性提高，抗壓強(qiáng)度先增大后趨于平衡，保溫時(shí)間為120 min時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值。在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，若保溫時(shí)間足夠，熔體液相會(huì)在表面張力作用下填充聚氨酯泡沫揮發(fā)留下的微細(xì)氣孔，使氣孔率降低，容重增大。同時(shí)，樣品在燒結(jié)過(guò)程中將吸收足夠的能量，促進(jìn)樣品的燒結(jié)致密化，致使容重增大，抗壓強(qiáng)度增大，抗熱震性提高。但保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，樣品的氣泡會(huì)聚集并長(zhǎng)大，使容重減小。此時(shí)致密化過(guò)程趨于完全，故抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯變化。

圖6 保溫時(shí)間與(a)容重、(b)抗熱震性和(c)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖Fig.6 Holding time dependence of (a) bulk density, (b) thermal shock resistance, and (c) compressive strength

3 結(jié) 論

(1)采用有機(jī)泡沫浸漬工藝制備出高性能氧化鋯泡沫陶瓷過(guò)濾板。樣品規(guī)整度好，氣孔相互貫通，結(jié)構(gòu)為三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。其容重為0．452 g/cm3，抗熱震性為12 次，抗壓強(qiáng)度為1．56 MPa；

(2)燒成溫度為1580 ℃，保溫時(shí)間為120 min時(shí)制備的氧化鋯泡沫陶瓷過(guò)濾板性能最佳。

[1] MONTANARO L, JORAND Y, FANTOZZI G, et al． Ceramic foams by powder processing． J． Eur． Ceram． Soc．, 1998, 18(9): 1339-1350．

[2] MOLLARD F R, DAVISON N． Ceramic foam filter for molten metal． Transactions of the American Foundrymen’s Society, 1978, 86: 479-486．

[3] 韓永生, 李建保, 魏強(qiáng)民． 多孔陶瓷材料應(yīng)用及制備的研究進(jìn)展[J]． 材料導(dǎo)報(bào), 2002, 16(3): 26-29．

[4] ZHU X W, JIANG D L, TAN S H． Reaction bonding of open cell SiC-Al2O3composites． Materials Research Bulletin, 2001, 36(11): 2003-2015．

[5] 黃勇, 何錦濤, 馬天． 氧化鋯陶瓷的制備及其應(yīng)用[J]． 稀有金屬快報(bào), 2004, 23(6): 11-17．

[6] KISHINO J, NISHIYAMA A, SAKUMA T． Mechanical properties of sinter-forged Al2O3-ZrO2ceramics． J． Mater． Sci．, 1996, 31(18): 4991-4995．

[7] TSKUMA K, SHIMADA M． Thermal stability of Y2O3partially stabilized zirconia (Y-PSZ) and Y-PSZ/Al2O3composites． Journal of Materials Science Letters, 1985, 4: 857-861．

[8] 戴蔚． ZrO2-Al2O3泡沫陶瓷的制備及性能研究[D]． 武漢: 武漢理工大學(xué), 2012．

[9] 戴斌煜, 陳同彩, 商景利, 等． 氧化鎂和氧化鈰復(fù)合部分穩(wěn)定氧化鋯泡沫陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)[J]． 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2007(2)．

[10] 方一航, 王煥平, 徐時(shí)清, 等． 不同改性劑對(duì)ZrO2陶瓷燒結(jié)性能與微觀結(jié)構(gòu)的影響[J]． 陶瓷學(xué)報(bào), 2012(02)．

[11] 張小鋒, 劉維良, 余小曼． 中鋁質(zhì)閉孔泡沫陶瓷磚的制備和性能研究[J]． 中國(guó)陶瓷工業(yè), 2010(05)．

Preparation and Properties of ZrO2Ceramic Foam Filter

ZENG Xiaojun, LIU Weiliang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, 333001, Jiangxi, China)

ZrO2ceramic foam filter with high properties was prepared by the process of organic foam impregnation. The method employed ZrO2powders as raw material, Al2O3and Y2O3powders as sintering aid. The influence of firing temperature and holding time on bulk density, thermal shock resistance and compressive strength of samples was studied. ZrO2ceramic foam filter was characterized by means of tensile testing machine, integrated thermal analyzers, X-ray diffraction and SEM. The experimental results indicated that the properties of as-prepared samples were best when the firing temperature was 1580 ℃ and the holding time was 120min. Samples were 0.452 g/cm3in bulk density, 12 times in thermal shock resistance and 1.56 MPa in compressive strength.

ZrO2ceramic foam; ceramic filter; properties

TQ174.75

A

1006-2874(2014)03-0005-04

2014-03-12。

2014-03-15。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51162015)；江西省研究生創(chuàng)新資金資助項(xiàng)目(編號(hào)：YC2013-S251)。

劉維良，男，教授。

Received date: 20140-03-12. Revised date: 2014-03-15.

Correspondent author:LIU Weiliang, male, Professor.

E-mail:jdzweiliang@163.com