楊高峰

摘 要：本文以氧化鋁粉（44 μm）為主要原料，碳化硅粉（0.3 μm）作添加劑，磷酸二氫鋁作為粘接劑。在300MPa的壓力下將粉料模壓成多孔陶瓷胚體，試樣中碳化硅的添加量分別為5%、10%、15%，粘接劑的含量為6%。將試樣在600℃、800℃、1000℃三個溫度下燒結(jié)，保溫1 h后隨爐冷卻，測試試樣的抗折強度、孔隙率及線收縮率，分析不同燒結(jié)溫度和碳化硅的添加量對多孔陶瓷的力學性能的影響。實驗結(jié)果表明：隨溫度逐漸升高，碳化硅添加量的增多，試樣的抗折強度逐漸升高，當溫度為1000℃，碳化硅添加量為15%時，試樣的抗折強度高達48 MPa。在三個溫度下，試樣的線收縮率整體變化不大，添加劑含量為5%，在600℃燒結(jié)后，線收縮僅為13%?？紫堵室环矫骐S著溫度的升高而下降，另一方面卻隨添加劑的含量的增加呈上升趨勢。

關健詞：多孔陶瓷；顆粒堆積；抗折強度；孔隙率；線收縮率

1 引言

多孔陶瓷是粉末原料經(jīng)成形工藝在高溫作用下硬化而制成的，是多晶體、多相（以氣孔為主相）的聚集體[1]。多孔陶瓷具有耐高溫、耐磨損、抗化學腐蝕性能優(yōu)良、硬度高、比表面面積大、熱傳導率低等多種優(yōu)異性能，已廣泛應用與各工業(yè)部門及近30年迅速發(fā)展起來的化工、空間技術、醫(yī)療、能源、環(huán)保等眾多領域，可作為生物陶瓷及催化劑載體、敏感材料、隔熱、吸聲、分離、過濾等，多孔陶瓷的使用量日益增大，適用范圍在不斷擴展，同時隨著科學技術的發(fā)展也對陶瓷材料提出了更多更新的要求，使得多孔陶瓷的科研日益活躍。

氧化鋁多孔陶瓷按照其成品的孔徑大小可分為宏孔陶瓷、介孔陶瓷和微孔陶瓷三類[2]；還可以根據(jù)孔徑之間的關系分為開氣孔（孔徑與外部空氣連接）和閉氣孔（孔徑在基體內(nèi)部）兩類。氧化鋁多孔陶瓷以氧化鋁為主原料，經(jīng)一系列的成型工藝后在一定的溫度下燒結(jié)，試樣微觀表現(xiàn)為組織內(nèi)部存在各種微孔，有開口氣孔，還有閉氣孔。這氧化鋁多孔陶瓷具有兩種優(yōu)良性能：（1） 氧化鋁多孔陶瓷具有較低的熱傳導率，良好的機械性能，化學穩(wěn)定性和化學熱穩(wěn)定性、耐腐蝕、耐磨損、抗高溫，使其在石油化工，儀表儀器、電子電器方面有大量的應用[3]。（2）由于具有較高的孔隙率，使其對氣體和液體介質(zhì)有良好的過濾性，可大量應用與于污水處理膜的制備材料[4]。

多孔陶瓷在化工、節(jié)能、環(huán)保等領域的應用己帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益[5]。目前由于工業(yè)污水的排放，大量重金屬元素、酸堿性液體直接排放不僅污染了生態(tài)環(huán)境，而且嚴重影響人體健康，通過合理科學的途徑將廢液中的有害物質(zhì)排除且回收有效的成分重新利用已越來越受到人們的重視與關注。由于多孔陶瓷具有過濾效率高、過濾面積大的特點，因此在過濾凈化技術中，多孔陶瓷作為一種新型高效過濾器，日益得到了人們的重視[6]。但仍需解決很多實際問題：首先就是如何合理調(diào)整孔隙率和抗折強度之間的關系，怎樣選材來降低生產(chǎn)成本，對影響多孔陶瓷的孔徑分布、孔徑結(jié)構(gòu)的因素進行精確控制。

本文對燒結(jié)工藝參數(shù)（燒結(jié)溫度）對多孔Al2O3陶瓷結(jié)構(gòu)組織的影響進行了研究。研究SiC顆粒的含量對多孔Al2O3陶瓷氣孔率的影響。了解燒結(jié)試樣的氣孔率及組織對力學性能的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

氧化鋁，粒度為44 μm；碳化硅，粒度為0.3 μm；電熔白剛玉，粒度為325目；磷酸二氫鋁。

2.2 實驗儀器

電子天平，型號為HZT-A200，美國華志公司；電熱鼓風恒溫干燥箱，型號為101-4，上海光地儀器有限設備有限公司；試驗室箱式爐，型號為SX2-12-16，南京桂林爐業(yè)有限公司；電子萬能試驗機，規(guī)格型號：CMT5305，濟南恒思盛大儀器有限公司。

2.3 實驗步驟

（1） 采用模壓成型法，把原料倒入碾缽，研磨均勻后在電子天平上稱取6 g，倒入清理干凈的模具。調(diào)試好萬能試驗機，即：最大壓力為108 KN，運行速度為2 mm/min。在萬能試驗機上干壓成型，模壓成型坯體間形狀為60×6×5.5 mm條狀，成型后在恒溫電阻箱中干燥，溫度控制位80℃，干燥6 h，使胚體具有一定的強度。

（2）干燥后的試樣在常壓下進行燒結(jié)。本實驗主要探究低溫制備多孔陶瓷，燒結(jié)溫度定在600℃、800℃、1000℃三個點。在每個溫度點保溫1 h后隨爐冷卻，探究最適宜的SiC-Al2O3多孔陶瓷的燒結(jié)溫度。

（3）氣孔率和體積密度測定。燒結(jié)后的試樣每組依次取出一條，并進行編號，進行稱量，記為G1，精確度0.01g。將試樣放在煮沸器皿上，加入蒸餾水使試樣完全被淹沒，加熱至沸騰后繼續(xù)煮沸2 h，然后冷卻至室溫。煮沸時器皿和試樣間應墊干凈紗布，以防止煮沸時試樣碰撞掉角。把上述飽和試樣放入鐵絲網(wǎng)籃，懸掛在帶溢流管的注滿蒸餾水的容器中，稱量飽和試樣在水中的重量，記為G3，精確至0.01 g。從中取出飽和試樣，用飽含水的多層紗布，將試樣表面過剩水分輕輕擦掉（注意不應吸出試樣孔隙中的水），迅速稱量飽和試樣在空氣中的重量，記為G2，精確至0.01 g。

用排水法測定多孔陶瓷的氣孔率計算公式如下：

孔隙率： q=■×100%

式中：q為條狀試樣的顯氣孔率（%）；G1為條狀試樣的干燥重量（g）；G2為條狀飽和試樣在空氣中的重量（g）；G3為條狀飽和試樣在水中的重量（g）。

（4） 試樣線收縮率測定。在燒結(jié)前，使用電子游標卡尺每組試樣進行長度測量。試樣燒結(jié)后在，每個溫度點下，依次對每組試樣中的5條測量，記錄數(shù)據(jù)，計算其平均長度。線收縮率公式：

收縮率： L=■×100%

式中：L1為烘后長度；L2為燒后長度。

（5） 抗折強度的測定。本實驗采用電子微控萬能試驗機進行三點彎曲法抗折強度的測定。彎曲強度試樣尺寸為60×6.5×5.5 mm，試樣的受壓橫截面平行于十字頭移動方向，跨距30 mm，十字頭的加載速度為0.5 mm/min，每個均值數(shù)據(jù)為兩顆（分別測試兩端）試樣的加權平均值?？拐蹚姸鹊挠嬎愎饺缦拢?

σf=■×100%

式中： p為載荷（N）；l為跨距（mm）；b為試樣寬度（mm）；h為試樣高度（mm）。

2.4 實驗配方

3 結(jié)果與分析

3.1 氧化鋁多孔陶瓷燒結(jié)機制

胚體經(jīng)過成形及干燥過程后，顆粒間只有很小的附著力，因而強度相當?shù)?、要使顆粒間相互結(jié)合以獲得較高的強度和硬度，通常是使胚體經(jīng)過一定的高溫燒成。在燒成過程中往往包含多種物理化學過程，如脫水、熱分解和相變，熔融和溶解，固相反應以及析出晶體，晶體長大和剩余玻璃相的凝固過程[7]。

燒結(jié)是陶瓷制備中重要的一環(huán)，伴隨燒結(jié)發(fā)生的主要變化是顆粒間接觸界面擴大并逐漸形成晶界；氣孔從連通逐漸變成孤立狀態(tài)并縮小，最后大部分甚至全部從胚體中排除，使成形體的致密度和強度增加，成為具有一定性能和幾何外形的整體[8]。燒結(jié)可以發(fā)生在單純的固體之間，也可以在液相參與下進行。前者稱為固相燒結(jié)，后者稱為液相燒結(jié)。無疑，在燒結(jié)過程中可能包含有某些化學反應的作用，但燒結(jié)并不依賴化學反應的發(fā)生。它可以在不發(fā)生任何化學反應的條件下，簡單的將固體粉料進行加熱轉(zhuǎn)變成堅實的致密燒結(jié)體，如各種氧化物陶瓷和粉末冶金制品的燒結(jié)就是如此，這是燒結(jié)區(qū)別于固相反應的一個重要方面。

燒結(jié)過程可以用圖1來說明。圖中第一階段表示燒結(jié)成形體中顆粒的堆積情況。這時，顆粒有的彼此以點接觸，有的則相互分開，保留較多的空隙。緊接著隨燒結(jié)溫度的提高和時間的延長，開始產(chǎn)生顆粒間的鍵合和重排過程。這時顆粒因重排而相互靠攏，第一階段的大空隙逐漸擴大為面接觸，顆粒間界面面積增大，固—氣表面積相應減小，但仍有部分空隙是連通的。第三階段過程表明，隨著傳質(zhì)的繼續(xù)，顆粒界面進一步發(fā)育長大，氣孔則逐漸縮小和變形，最終，轉(zhuǎn)變成孤立的閉氣孔。與此同時，顆粒粒界開始移動，粒子長大，氣孔逐漸遷移至粒界上消失，燒結(jié)體致密度提高，即圖上的第四階段。

基于上述分析，可以把燒結(jié)過程分為初期，中期，后期三個階段。燒結(jié)初期、中期、后期三個階段。燒結(jié)初期只能形成顆粒重排，空隙變形和縮小，但總表面積沒有減小，并不能最終填空隙；燒結(jié)中、后期則較多排出氣體，是空隙率減低，提高胚體的致密度，使樣品的抗折強度升高[9]。

燒結(jié)的第一階段，胚體中粘接劑、自由水排出，形成大氣孔。燒結(jié)的第二階段，發(fā)生一些列的物理化學反應、如舊相的消失，新晶相的形成等。燒結(jié)的第三階段，隨著氣體的排出，空隙率減低，抗折強度升高。

3.2 彎曲強度分析

采用三點彎曲方法測試了600℃、800℃、1000℃三個溫度梯度下，分別加入0.3 μm的SiC 5%、10%、15%時試樣的抗折強度，結(jié)果取平均值如圖2所示：

從圖2中可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，多孔陶瓷的抗折強度升高，而且800 ～ 1000℃溫度范圍內(nèi)抗折強度上升比600 ～ 800℃要高，這主要是因為提高燒結(jié)溫度后，原料中顆粒發(fā)生鍵合和重排過程，隨著顆粒重排而相互靠攏，胚體中空隙大量下降，基體變得更加致密化，抗折強度增大。

3.3 對試樣孔隙率的分析

在胚體燒成過程中往往包含多種物理化學變化，如脫水、熱分解和相變，熔融和溶解，固相反應以及析出晶體，晶體長大生成液相、液相數(shù)量和粘度不斷變化。與此同時，胚體的孔隙率，線收縮率也會發(fā)生不同程度的變化。

由圖3可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，多孔陶瓷的孔隙率降低，當溫度超過800℃，碳化硅氧化鋁多孔陶瓷的孔隙率下降較大。這是因為隨著溫度提高，顆粒間結(jié)合更加緊密，收縮增大，密度提高。

3.4 對試樣線收縮率的分析

本實驗取5%、10%、15%三個碳化硅百分比的平均值，獲得三組試樣線收縮率與溫度的關系，實驗結(jié)果的平均值與溫度的關系如圖4所示：

由圖4可以看出600 ～ 800℃階段， 線收縮率變化較慢，其收縮主要與磷酸二氫鋁分解及原料脫水有關，而800 ～ 1000℃燒結(jié)時，孔隙體積減少，收縮率變化較快。

4 結(jié) 語

本實驗采用0.3 μm碳化硅、磷酸二氫鋁、325目氧化鋁粉末為原料，通過模壓成型獲得多孔陶瓷胚體，在600℃、800℃、1000℃三個溫度下固相燒結(jié)，分析測試樣的抗折強度、孔隙率和線收縮，得到如下結(jié)論：

（1）隨著燒結(jié)溫度的升高，多孔陶瓷的抗折強度升高，而且800℃～1000℃溫度范圍內(nèi)抗折強度上升比600 ～ 800℃快。

（2）在600 ～ 800℃階段， 線收縮率變化較慢，其收縮主要與磷酸二氫鋁分解及原料脫水有關，而800 ～ 1000℃燒結(jié)時，孔隙體積減少，孔隙率降低較大。

（3）試樣的線收縮率主要與燒結(jié)溫度有關，溫度在室溫到600℃，試樣線收縮率不大，僅為13%，其收縮主要與磷酸二氫鋁分解及原料脫水有關，隨著溫度的升高，線收縮率不斷增大。

參考文獻

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[9] 楊國義. 材料力學[M]. 北京：中國計量出版社， 2007.