堇青石多孔陶瓷的制备和研究

摘要：多孔陶瓷是一种新型的陶瓷材料，由于它具有透过性好、密度低、硬度高、比表面积大、 热导率小及耐高温、耐腐蚀等优良特性，因此广泛地应用于冶金、化工、环保、能源、生物、食品、医药等领域，用作过滤、分离、扩散、布气、隔热、吸声、化工填料、生物陶瓷、化学传感器、催化剂和催化剂载体等元件材料[1]。

以MgO、Al2O3、SiO2粉体为原料，按化学计量关系配置堇青石试样，加入质量分数分别为5%、15%、25%、35%、45%的石墨或淀粉为造孔剂，在不同的温度下烧结试样，利用XRD、SEM等分析与测试方法，测定并研究了造孔剂掺入量及粒度对烧结试样抗折强度、显气孔率、吸水率、体积密度、晶体形成，显微结构的影响[2]。

关键词： 堇青石；多孔陶瓷；性能

1、 堇青石陶瓷的概述

堇青石（2MgO・2Al2O3・5SiO2）具有优良的热学性能，是现代陶瓷工业、冶金工业不可缺少的原材料。堇青石的合成已经有近百年的历史，但仍是一项很困难的工作，这主要是因为它的生成条件比较苛刻，其生成温度与分解温度接近，即烧成温度范围窄；在较低温度下没有明显的堇青石生成，提高温度又会导致大量的玻璃相生成，降低制品的热稳定性。作为耐火材料，要求其具有较高的堇青石含量、高的致密性及尽可能少的杂质[3]。

2、实验部分

2.1 实验制备

2.1.1实验方案

配合比计算粉磨、混匀压片成型烘干烧结性能测试和表征。

2.1.2实验原材料及其配比

以分析纯Al2O3，分析纯MgO，分析纯SiO2为主要原料，造孔剂有两种，一种是石墨粉，另一种是可溶性淀粉。按照堇青石（2MgO・2Al2O3・5SiO2）理论组成设计配方。原料配比：Al2O3约占13.7%、MgO约占34.93%、SiO2约占51.4%。造孔剂石墨粉（或可溶性淀粉）以5%、15%、25%、35%和45%含量加入。预计总共分成两大组，一组造孔剂为石墨，一组是淀粉。

2.1.3原料的混合与粉磨

利用行星式球磨机进行原料的混合和粉磨，此过程利用粉磨时间长短不一样造成的粒径大小的不同，将原料又分成了两个组进行粉末，分别是20min和50min。总计实验分为四大组：粉磨20min的含石墨的料、粉磨20min的含可溶性淀粉的料、粉磨50min的含石墨的料和粉磨50min的含淀粉的料。

2.1.4原料的压片成型

此过程需用的仪器设备是25T平板硫板压力机。利用特定的磨具压成长方体的形状，共计压40个片（每份料压两个相同的片），压力机调试压力为1MPa，压片时间为120s。

2.1.5烘干

成型后的样品放入烘箱内烘2h。烘箱设定温度为95-100℃。

2.1.6烧结

所用到的仪器是机械工业部第六研究院设计浙江长兴威力窑业有限公司生产的SXZ-10-17型高温电阻炉。升温速率为5℃/min，设定烧结温度为1250℃，要求保温时间为4h。待烧完自然冷却至200℃时方可取出样品。

2.2成品的性能测试和表征

2.2.1显气孔率、吸水率与体积密度的测试

根据国家标准GB/Tl966-l996多孔陶瓷显气孔率、容重试验方法（煮沸法），对多孔陶瓷进行气孔率、吸水率和体积密度的测试。

显气孔率计算公式：

吸水率按计算公式：

体积密度计算公式：

上式中m1，m2，m3表示如下：

m1───干燥试样的质量，g；

m2───饱和试样在水中的质量，g；

m3───饱和试样在空气中的质量，g；

2.2.2抗折强度测试

万能实验机上进行弯曲强度测试。记录数据。

抗折强度计算公式：

式中：

Rf ――试样的弯曲强度，MPa；

P ――试样折断时负荷，N；

L ――支点间距离，mm；

b ――试样宽度，40mm；

h ――试样厚度，mm。

2.2.3扫描电镜分析（SEM）

利用美国FEI公司QANTA200型扫描电镜进行形貌分析，观察堇青石多孔陶瓷的表面显微形貌及结构状况。

3、结果与讨论

3.1 淀粉的掺入量对烧结试样宏观性能的影响

为了研究了淀粉不同掺量对烧结试样显气孔率、吸水率、体积密度的影响，设计了淀粉掺入量分别为5%、15%、25%、35%、45%共5组试样，在温度1300℃下烧结4h，当淀粉的掺量由5%到45%烧结样品显气孔率增大，吸水率增大，样品的体积密度减小。

3.2 成孔剂的种类对烧结试样宏观性能的影响

为了研究不同成孔剂对烧结试试样成孔效果的影响，在测试了淀粉作为成孔剂的基础上，还选择了石墨作为成孔剂，同样掺入量分别为5%、15%、25%、35%、45%共5组试样，在温度1300℃下烧结4h，显气孔率、吸水率和体积密度的变化与造孔剂的掺量有着直接的关系，造孔剂掺量增加显气孔率和吸水率均明显增大，体积密度减小。要获得孔较多的多孔陶瓷，造孔剂的量应该在35%-45%比较合适。从实验中还发现，造孔剂石墨和淀粉对烧结后的陶瓷成孔效果是区别并不大，不过仔细看下还是有点区别的。掺入石墨的样品显气孔率、吸水率要比掺入淀粉的高，而体积密度却比掺入淀粉的低，含淀粉掺量的烧结样品的抗折强度比含石墨的低。从工艺成本方面看，石墨比可溶性淀粉更经济些。

3.3抗折强度分析

抗折强度是陶瓷制品和陶瓷材料或陶瓷原料的重要力学性能之一，通过这一性能的测定，可以直观地了解制品的强度，为发展新品种，调整配方，改进工艺，提高产品提供依据。

随着石墨和淀粉的添入量增加，抗折强度呈下降趋势，在5%的掺量时，抗折强度普遍是最高的，到45%时，强度最低，由此看出抗折强度随着成孔剂掺量的增加而降低。另外，粉磨20min的强度要比粉磨50min的强度高。

3.4不同温度下烧结样品宏观性能的变化

为了观察陶瓷样品的表面形貌和确定多孔陶瓷的比表面积及孔容，分别对样品在1000℃、1100℃、1200℃、1300℃四种烧结温度形成的陶瓷进行了电镜扫描。样品经表面刮平后，使用扫描电镜进行观察，测试结果见图1，图2，图3，图4。

样品表面磨平，图1可以看出，在温度不是很高的热处理情况下，陶瓷的不混溶相未达到完全连通结构，样品孔径比较小或无孔径产生。图2可以看出，提高热处理温度就会出现结构连通的不混溶增大的现象，样品的孔为连通较好的孔，且基本上是均匀的，孔径也比较大。随着热处理温度升高，如图3和图4所示，可以看出孔的变化情况：无孔孤立的孔洞表面连通的孔三维连通的孔状结构。由此看出处理温度的升高和热处理的时间的延长，孔径大体上增多，多孔的结构更加清晰，孔的连接结构加强。

为了了解成孔剂不同掺量对烧结样品宏观性能的变化，设定了5%和45%电镜扫描图如下图5，图6。

图5 淀粉掺量5%样品的电镜图 图6 淀粉掺量45%样品的电镜图

由以上两图可以看出，当造孔剂掺量在5%时气孔较少，气孔率较小孔在表面布均匀，45%时这种材料具有高孔隙率孔联通情况较好的优点。

结论

（1）随着造孔剂掺量由5%增加到45%，烧结后的陶瓷样品的显气孔率逐渐增大，吸水率也逐渐增大，抗折强度逐渐减小。

（2）粉磨20min的烧结样较粉磨50min的烧结样品抗折强度高、显气孔率大、吸水率大、体积密度小。

（3）在温度为1300℃时，堇青石陶瓷能按照化学计量关系完全形成。

（4）作为成孔剂，石墨与淀粉相比，前者虽然强度略差，但更廉价，成孔率更高，更适合作为工业实际生产所用的造孔剂。

（5）当试样被粉磨20min，成孔剂掺量为45%时，所得的堇青石试样的抗折强度20.16MPa、显气孔率为50.8%、吸水率23.10%、体积密度分别为2.196g/cm3。■

参考文献

[1] 陈玉清，吴 正，王连星.堇青石的合成及应用[J].中国陶瓷，1992，5

[2] 袁旭暄，贾德昌，周 玉.堇青石陶瓷烧结工艺及机理研究[J].陶瓷科学与艺术，2003，6：48-50.

[3] 周永生，薛群虎，王宏联，等.合成堇青石原料的研究及应用.西安：西安建筑科技大学出版社，2006