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        高溫氣固分離SiC多孔陶瓷材料制備及性能研究

        2016-03-09 23:35:10倫文山彭文博王躍超朱軍沈云進(jìn)
        佛山陶瓷 2015年12期
        關(guān)鍵詞:碳化硅

        倫文山+彭文博+王躍超+朱軍+沈云進(jìn)++陸麗芳

        摘 要:本文利用等靜壓成型高溫氣固分離碳化硅多孔陶瓷支撐體,研究了碳化硅含量、造孔劑含量、成型壓力及燒成溫度對碳化硅多孔陶瓷支撐體孔隙率及抗折強(qiáng)度的影響。通過研究發(fā)現(xiàn),碳化硅含量在88wt%、成型壓力為40 MPa、燒成溫度為1330 ℃時(shí),制備的碳化硅支撐體性能較為理想,可用于工業(yè)化生產(chǎn)。

        關(guān)鍵詞:碳化硅;等靜壓成型;孔隙率;抗折強(qiáng)度

        1 引言

        目前,我國電力工業(yè)以火力發(fā)電為主,但高溫?zé)煔鈨艋讲桓撸坏廴经h(huán)境,而且大量的熱能和有用資源被白白浪費(fèi)。高溫氣體除塵技術(shù)是21世紀(jì)最先進(jìn)的節(jié)能、高效技術(shù),該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以促進(jìn)我國資源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。高溫氣體除塵技術(shù)的關(guān)鍵是要將煙氣在高溫下直接實(shí)現(xiàn)氣固凈化分離,并使排出的煙氣符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

        要除去高溫?zé)煔庵械膲m粒,必須要求所選陶瓷材料能承受高溫(500~900 ℃)、高壓(1.0~3.0 MPa)以及脈沖反吹時(shí)因溫度差突變而引起的熱應(yīng)力變化。因此,研發(fā)一種具有優(yōu)異性能的高溫陶瓷過濾材料亟待解決。

        采用SiC材料制備的多孔陶瓷支撐體最大優(yōu)點(diǎn)在于它的抗熱沖擊性好、高溫強(qiáng)度高和耐腐蝕性好,在嚴(yán)酷的條件下可以保持很好的穩(wěn)定性。同時(shí),碳化硅陶瓷具有良好的抗彎強(qiáng)度,抗彎強(qiáng)度的大小直接影響到碳化硅多孔陶瓷支撐體的使用壽命。因此,碳化硅多孔陶瓷支撐體是一種優(yōu)良的高溫氣固分離材料。

        本文主要根據(jù)碳化硅的特性研究如何制備出高孔隙率和高抗彎強(qiáng)度的碳化硅多孔陶瓷支撐體,使其工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化,能在高溫氣固分離行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

        2 試驗(yàn)內(nèi)容

        2.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

        本試驗(yàn)所采用的原料有:碳化硅(60目)、超細(xì)高嶺土、硅微粉、滑石粉、鈦白粉、碳酸鋇、木屑以及粘結(jié)劑

        主要設(shè)備有:冷等靜壓機(jī)、電動抗折試驗(yàn)機(jī)、高溫?zé)Y(jié)爐、顯氣孔體密測定儀等。

        2.2 試樣的制備

        以碳化硅顆粒為骨料搭建骨架,利用細(xì)粉作為陶瓷結(jié)合劑,將混合均勻的陶瓷結(jié)合劑緩緩加入骨料中混合均勻;然后將造孔劑加入到骨料中,在轉(zhuǎn)動的混煉機(jī)中碾壓均勻,之后陳化24 h;最后在等靜壓模具中等成型,尺寸為Φ60 mm ×Φ40 mm × 750 mm;成型后的試樣放入恒溫烘箱中進(jìn)行低溫烘干處理,在1330 ℃下燒成,保溫時(shí)間為5 h。

        3 結(jié)果分析與討論

        3.1 碳化硅含量對碳化硅陶瓷支撐體性能的影響

        SiC含量和孔隙率與抗折強(qiáng)度、體積密度的關(guān)系分別如圖1、圖2所示。

        通過圖1和圖2可以看出,隨著碳化硅含量的升高,支撐體的抗折強(qiáng)度和體積密度不斷降低,而孔隙率則不斷地升高,基本成線性關(guān)系。而本試驗(yàn)的主要目的是在保持一定的抗折強(qiáng)度的前提下盡可能的提高支撐體的孔隙率和孔徑大小,因?yàn)榭紫堵实母叩秃涂讖降拇笮∈侵苯佑绊懱蓟柚误w過濾壓降的關(guān)鍵因素??讖皆酱螅紫堵试礁?,碳化硅支撐體的過濾壓降越小。因此,需要在強(qiáng)度和孔隙率之間尋求一個平衡點(diǎn)。碳化硅含量過高,陶瓷結(jié)合劑的含量相應(yīng)地減少,會導(dǎo)致碳化硅支撐體不易成型,且燒成時(shí)液相偏少,導(dǎo)致強(qiáng)度偏低;碳化硅含量過少,陶瓷結(jié)合劑的含量升高,使支撐體的液相增加,使支撐體燒成時(shí)更易變形,孔隙率降低,使得過濾壓降偏大,氣體的滲透率偏低。滲透率和孔徑大小的公式如下:

        μ=qr2/8ξ (1)

        其中,μ為滲透率;q為開氣孔隙率;r為氣孔半徑;ξ為氣孔曲折度。

        由公式(1)可以看出,孔徑大小對滲透率的影響成平方的關(guān)系,而支撐體的滲透率越大,其過濾壓降越小。通過研究發(fā)現(xiàn),碳化硅的含量在88wt%時(shí),得到的抗折強(qiáng)度和孔隙率均較為理想。

        3.2 造孔劑含量對碳化硅陶瓷支撐體性能的影響

        在一般的陶瓷制備過程中,通過調(diào)節(jié)成型壓力,燒結(jié)溫度以及保溫時(shí)間,可以控制制品的強(qiáng)度和孔隙率,但是成型壓力過低,制品的強(qiáng)度會降低,缺陷增多,成型壓力過高,孔隙率會大幅度降低;燒結(jié)溫度太高或保溫時(shí)間較長會使部分氣孔封閉甚至消失,導(dǎo)致孔隙率降低,而燒結(jié)溫度太低或保溫時(shí)間較短,則制品的強(qiáng)度偏低,均不能滿足性能的要求。對于多孔陶瓷,單純依靠成型壓力和燒結(jié)溫度以及保溫時(shí)間很難同時(shí)滿足強(qiáng)度和孔隙率的要求,因此需要引入部分造孔劑來改善多孔陶瓷的性能。造孔劑的引入在坯體中占據(jù)一定的空間,經(jīng)過高溫?zé)Y(jié),造孔劑燃燒或分解,從而留下一定的空隙,

        引入的造孔劑需滿足兩個條件:一是不能和陶瓷基體進(jìn)行反應(yīng);二是燒結(jié)過程中易排除,不會留下對多孔陶瓷性能影響的殘留物質(zhì)。在多孔陶瓷材料中,造孔劑的選取有很多種,如活性炭、石墨、淀粉、聚乙烯醇、纖維素

        等等。

        而本試驗(yàn)采用的造孔劑為一定尺寸的木屑纖維作為造孔劑,優(yōu)點(diǎn)有三點(diǎn):一是容易燒掉而不會留下殘留物;二是因?yàn)槔w維,加入后會對成型的坯體的強(qiáng)度有一定的提高;三是木纖維的比重輕,不會過多的增加坯體的重量。

        造孔劑含量和孔隙率與抗折強(qiáng)度、體積密度地關(guān)系如圖3、圖4所示。

        從圖3、圖4可以看出,隨著造孔劑含量的提高,孔隙率基本呈現(xiàn)線性升高,抗折強(qiáng)度以及體積密度呈線性下降。雖然造孔劑的含量提高,孔隙率大幅度升高,支撐體的過濾壓降降低,但是相應(yīng)的支撐體的強(qiáng)度呈線性下降,在使用過程中支撐體易斷裂破碎,使用壽命縮短。由分析可得,當(dāng)造孔劑含量在3wt%時(shí),支撐體的孔隙率為37.5%、抗折強(qiáng)度23.2 MPa、測試得到過濾壓降390 Pa。

        3.3 成型壓力對碳化硅陶瓷支撐體性能的影響

        成型壓力的大小對陶瓷坯體的致密度以及燒成后制品的強(qiáng)度以及孔隙率有直接的影響,成型壓力高,坯體強(qiáng)度高,脫模時(shí)不易破碎,燒成后制品的強(qiáng)度高,孔隙率小;成型壓力低,坯體強(qiáng)度低,脫模時(shí)易損壞,燒成后制品的強(qiáng)度低,孔隙率高。因此,選取合適的成型壓力是制備出優(yōu)異的陶瓷制品關(guān)鍵因素之一。

        成型壓力和孔隙率與抗折強(qiáng)度、體積密度地關(guān)系分別如圖5、圖6所示。

        從圖5、圖6可以看出,隨著成型壓力的提高,碳化硅支撐體的強(qiáng)度和體積密度隨之升高,孔隙率隨之下降,且下降幅度較大。而研究制備的多孔碳化硅陶瓷材料,需要保持一定的孔隙率(≥35%)。因此,不能單一的考慮碳化硅陶瓷的強(qiáng)度來選取成型壓力。當(dāng)成型壓力在40 MPa的時(shí),測得孔隙率>35%、抗折強(qiáng)度>22 MPa;當(dāng)成型壓力超過45 MPa時(shí),孔隙率低于35%,此時(shí)氣體通過碳化硅支撐體的的阻力偏大,直接影響了支撐體的使用效率。

        3.4 燒成溫度對碳化硅陶瓷支撐體性能的影響

        對于任何陶瓷材料,燒成溫度的研究是整個工藝研究中至關(guān)重要的部分,燒成過程是陶瓷制品排水、排膠、發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)、致密化燒結(jié)的過程。燒成溫度的大小直接影響到陶瓷材料的熱力學(xué)性能。

        燒成溫度與抗折強(qiáng)度和孔隙率的關(guān)系如圖7所示。

        從圖7可以看出,隨著燒成溫度的不斷提高,碳化硅陶瓷支撐體的抗折強(qiáng)度隨之升高,孔隙率隨之下降。隨著溫度的不斷提高,材料中液相不斷增多,使碳化硅顆粒能完全地被液相包裹,顆粒與顆粒之間能很好結(jié)合在一起,使得碳化硅陶瓷的強(qiáng)度得到提高。但是溫度過高時(shí),碳化硅陶瓷內(nèi)部會出現(xiàn)多余的液相,通過不斷流動填充到碳化硅陶瓷的各個空隙中,阻塞空隙,使得碳化硅陶瓷材料的閉氣孔數(shù)量增加,顯氣孔率下降,影響碳化硅多孔陶瓷氣固分離時(shí)氣體的滲透率,增大了支撐體的過濾壓降。當(dāng)燒成溫度在1330 ℃時(shí),孔隙率為37.5%、抗折強(qiáng)度為23.5 MPa。溫度過低,支撐體強(qiáng)度偏低,且燒結(jié)不完全,影響支撐體的使用壽命。

        4 結(jié)論

        (1) 當(dāng)碳化硅骨料加入量為88wt%時(shí),所制得的碳化硅陶瓷支撐體的性能較為理想,此時(shí)的孔隙率為37.5%、抗折強(qiáng)度在23.5 MPa左右。

        (2) 當(dāng)成型壓力為40 MPa、燒成溫度為1330 ℃時(shí),制備的碳化硅陶瓷支撐體的孔隙率及抗折強(qiáng)(下轉(zhuǎn)第29頁)度性能較為理想。

        參考文獻(xiàn)

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        [7] 劉有智,石國亮,郭雨. 新型多孔碳化硅陶瓷膜管的制備與性能表征[J]. 膜科學(xué)與技術(shù),2007,27(1):32~34.

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