碳化硅微孔陶瓷过滤板的制备

摘 要 本文考察了烧成温度、成形压力、烧成时间、成孔剂的加入量和玻璃相加入量对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率及微观结构的影响。研究表明：烧成温度为1300℃、成形压力为40kN、烧成时间为4h、成孔剂加入量为16.5%时，制备出的SiC微孔陶瓷过滤板有着更为优良的性能。

关键词 SiC微孔陶瓷过滤板，孔隙率，烧结温度，成孔剂，玻璃相

1引言

碳化硅主要为共价键化合物，碳化硅结晶中存在呈四面体空间排列的杂化键sp3，sp电子的迁移，使其能量稳定，存在牢固的共价键，从而形成具有金刚石晶体结构的碳化硅[1]。用SiC作骨料制备的微孔陶瓷过滤器，有较高的孔隙率，耐高温、导热率高、导电性好，有优良的抗化学腐蚀性能和冷加工性能[2]。因此，碳化硅微孔陶瓷过滤器可以用于液体和气体过滤、布气材料、催化剂载体[3～5]和吸音材料[6]，还可用作敏感元件[5]、隔膜材料[7]、生物工程材料[8]等。

本文采用多孔陶瓷常用制备方法[9]之一的固态烧结法制备SiC微孔陶瓷，考察烧成温度、成形压力、烧成时间、成孔剂的加入量和玻璃相无机粘结剂的数量等因素对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率及微观结构的影响，从而为制备性能良好的SiC微孔陶瓷过滤器提供理论依据。

2实验

实验仪器有：电子天平、球磨机、万能材料实验机、马弗炉、电炉、电子显微镜。试验所用的原材料有：工业纯的SiC骨料、粘土（18μm）、长石、甲基纤维素和化学纯的Al(OH)3(2μm)。

3结果与讨论

3.1 烧成温度对SiC陶瓷过滤板孔隙率的影响

按配方制备制品，不同烧成温度对SiC陶瓷过滤板孔隙率的影响如图1所示。由图可知，在1200～1300℃范围内随着温度的升高，SiC微孔陶瓷过滤板的孔隙率呈逐渐下降的趋势，下降的幅度为5.5%左右。这是因为粘结剂在约1200℃时开始熔融，较低温度时粘结剂所接触的局部区域出现液相，成孔剂挥发的气体沿坯体内在成形过程中残余的气体通道向表面扩散，形成较多的开口气孔，表现出较高的孔隙率。随着温度的升高，玻化程度提高，同时出现液相，使粘结剂润湿，溶解骨料并与骨料发生作用形成低共熔物，溶于液相中促进烧结。当温度较高时，样品中玻璃相增加，玻璃相的粘度下降，流动性增加，较多地填充空隙，此时，已接近完全烧结阶段，故孔隙率会有所下降。所以，要提高孔隙率，烧结温度不能太高。这样既能保证SiC陶瓷过滤板有一定的强度，又有较高的孔隙率，故选用1300℃作为烧结温度较为恰当。

3.2 成形压力对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率的影响

固定配方在1300℃下烧成并保温3h，研究成形压力对制品性能的影响。

从图2中可以看出，随着成形压力的增大，材料的孔隙率大体上呈下降趋势，由50.0%减小到42.7%。这是因为随着成形压力的提高，坯体致密度相应提高，孔隙率随之减小。在保证制品有一定的强度时，则尽量降低成形压力，成形压力为40kN时为最佳。

3.3 烧成时间对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率的影响

在固定配方、烧成温度与成形压力不变的情况下，探讨烧结保温时间的变化对试样孔隙率的影响。

由图3可以看出：随着保温时间的延长，孔隙率呈微弱的下降趋势。但是孔隙率下降的幅度比较小，保温1h和6h的制品孔隙率仅差2.5%。这主要是因为试样的温度在由室温升至1300℃的过程中，各种反应和变化可以得到充分的进行，故保温时间对样品孔隙率的影响较小。随着保温时间的增加，试样在烧结的过程中将获得更多的能量，使得试样的结构更加致密化，孔隙率减小。

另外，由于实验的成孔剂在300℃左右就会分解，在升温至1300℃并保温的情况下，成孔剂的反应已基本进行完全，不会对制品的孔隙率造成很大的影响。这时，粘结剂随着烧结时间的延长所发挥的作用更大，它使试样内部颗粒连接更加紧密孔隙逐渐变小。综合SiC微孔陶瓷过滤器孔隙率和强度考虑，合适的烧结保温时间为4h。

3.4 成孔剂的加入量对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率的影响

SiC微孔陶瓷过滤器微孔的形成有多种方法，本文主要采用添加成孔剂的方法，使其在烧结之前占位，在烧结过程中发生氧化或分解，从而形成三维相互贯通的微孔。根据实验条件，本试验选用Al(OH)3微粉（2μm）作成孔剂。在SiC骨料和粘结剂的比例保持不变的情况下，仅改变Al(OH)3成孔剂的加入量，按表1中所给出的配方进行配料。

试样先在400℃下保温1h，使Al(OH)3充分分解（Al(OH)3分解温度为300℃，发生反应为：2Al(OH)3 =Al2O3+3H2O）。在1300℃下保温3h，再进行性能测试。从图4中可以发现，随着成孔剂用量的增大，试样的气孔率随之升高。这是因为随着成孔剂含量的增加，其分解反应后在SiC微孔陶瓷过滤器中形成的孔隙也相应增大，故孔隙率上升。但成孔剂量的增加必然会减少颗粒间的结合程度，甚至使骨架成形时难以联成一体而散开解体，影响制品的强度，所以成孔剂的加入量不能过多，实验认为加入16.5%的Al(OH)3较为适宜。

3.5粘土的加入量对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率的影响

在Al(OH)3成孔剂加入量的比例保持不变的情况下，仅改变粘土的加入量，按表2中所给出的配方进行配料。

从图5可以看出：随着粘土加入量的增大，制品的孔隙率呈下降趋势。这是因为在一定范围内，随着粘土的增加，气孔率下降。粘土物料要选择能在980℃左右形成低共熔物，出现液相，将SiC骨料结合起来的物质。

4结论

烧成温度、成形压力、烧成时间、成孔剂的加入量和玻璃相的加入量等对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率及微观结构有着较大的影响。研究发现：随着烧成温度的提高，SiC微孔陶瓷的孔隙率降低，气孔形状呈不规则变化；成形压力的增加和烧成时间的延长则会导致SiC微孔陶瓷孔隙率的减小；随着成孔剂含量的加大，制品的孔隙率变大，而粘结剂含量越大，产品的孔隙率越小。更为优化的制备条件为：烧成温度1300℃、成形压力40kN、烧成时间4h，成孔剂的加入量为16.5%。

参考文献

1 李世普主编.特种陶瓷工艺学[M].武汉工业大学出版社,1990:82

2 姚治才.环境问题与陶瓷[J].咸阳陶瓷研究设计院,1999,1:7～12

3 Bloomfield， et.al. USP5965010, October 12,1999

4 Smojver.USP5690900, November 25,1997

5 陈俊彦译.最新精细陶瓷技术[M].工业调查会编辑部编,中国建筑工业出版社,1986:81

6 张晓霞,山玉波,李伶.多孔陶瓷的制备与应用[J].现代技术陶瓷,2005,4:37～40

7 Nies， et al.USP5650108, July 22,1997

8 Ikushina， et al.USP5869548, February 8,1999

9 方 玲.SiC多孔陶瓷制备与应用[J].陶瓷科学与艺术,2005,6:4～11