泡沫陶瓷范文

时间:2023-02-28 04:11:03

泡沫陶瓷

泡沫陶瓷范文第1篇

关键词:低成本泡沫陶瓷制备工艺矿渣

前言

20世纪70年代起发展起来的泡沫陶瓷,是一种具有高温特性的泡沫材料,孔径从纳米级到微米级不等,气孔率在20%~95%之间,具有比表面积大、强度高、耐高温、耐腐蚀、对流体自扰性强、再生简单、使用寿命长等诸多优点。

利用泡沫陶瓷吸收能量的性能,可用作各种吸音材料、减震材料等;利用低密度、低导热系数的特点,可制成各种保温材料、轻质结构材料等。此外,泡沫陶瓷还广泛应用于航空航天、电子信息、污水治理及其他新的应用领域。

但是随着泡沫陶瓷的应用领域不断拓展,降低成本的呼声日益增高。泡沫陶瓷低成本制备方法的研究成为泡沫陶瓷领域一个重要发展方向。解决思路有以下三种:从原料上控制成本,如采用矿渣系原料;简化现有的泡沫陶瓷制备工艺;采用新的泡沫陶瓷制备方法。总之简单、经济、实用的泡沫陶瓷制备方法的研究是十分必要的。

1.矿渣系泡沫陶瓷

根据材质不同,泡沫陶瓷的主要有:高硅质硅酸盐材料,铝硅酸盐材料,精陶质材料,硅藻土质材料,纯碳质材料,刚玉和金刚砂材料,堇青石、钦酸铝材料,以及用废渣构成的材料。现在研究比较热点的是用粉煤灰、煤矸石等工业废渣,陶瓷厂、玻璃厂等工业废料,建筑垃圾等建筑废渣制取泡沫陶瓷。

吴兴才等人利用煤矸石制备了微米级泡沫陶瓷【1】,上海应用技术学院材料系以粉煤灰为主要原料、粘土为粘结剂,成功地开发出轻质泡沫球形生物滤料【2】。

但利用废料制备出的泡沫陶瓷整体表现出一些问题:废料利用率不高,能耗巨大,产品性能不稳定,且和化工原料制备的泡沫陶瓷性能相差甚大,这些问题都有待进一步解决。

2.泡沫陶瓷制备工艺

制备工艺的条件越亲和,制备工艺和设备越简单,生产的成本也就越低。目前常用的泡沫陶瓷制备方法有添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法、发泡法、溶胶凝胶法等。研究比较活跃的新方法有采用溶胶一凝胶代替陶瓷浆料浸渍有机泡沫制备泡沫陶瓷、天然高分子固化法【3~4】、仿生结构复制法【5】、泡沫注凝法【6】、冷冻干燥制备工艺【7】等。

2.1传统制备方法

添加造孔剂法,由于工艺简单、成型方法灵活多样,通过工艺改进,有很大潜力实现低成本化制备。注浆成型能使陶瓷粉料与造孔剂较好地混合,使泡沫陶瓷气孔分布均匀,且设备简单,是制备泡沫陶瓷常用的方法;模压成型的最大优点是简单方便,如果对制品的质量要求不高,较小的片状、块状或管状的泡沫陶瓷都可用模压成型的方法制备。烧结方面,提高烧结体的强度,需提高烧结温度,延长烧结时间,但会降低制品的气孔率。这目前仍是泡沫陶瓷实用化面临的问题之一。

有机泡沫浸渍法,是用有机泡沫浸渍陶瓷浆料,干燥后烧掉有机泡沫,是目前应用最广的泡沫陶瓷的制备方法,适于制备高气孔率,开气孔的泡沫陶瓷。浆料的制备和挂浆工艺是制约其发展的重要因素,目前要达到总够的强度,一般都需要二次挂浆,简化挂浆工艺可以进一步降低泡沫陶瓷的生产成本。

发泡法,与泡沫浸渍工艺相比,更容易控制制品的形状、成分和密度,并且可制备各种孔径大小和形状的泡沫陶瓷。但传统的方法往往对原料和工艺条件要求高,制约其成本的降低。

溶胶-凝胶法主要用来制备微孔陶瓷材料,特别是微孔陶瓷薄膜,生产率低,成本较高。表1 比较了这几种工艺方法的特点及应用。

表1.传统泡沫陶瓷工艺方法特点

2.2新型泡沫陶瓷工艺方法

天然高分子固化法:利用某些天然高分子物质具有变性导致的液一固转变特性,在泡沫陶瓷的制备工艺中有着潜在的应用空间。蛋白质、多糖(包括淀粉、纤维素等)是这类物质的代表。毛小建等人采用木薯淀粉作为固化剂,成功制备了熔石英泡沫陶瓷【4】。该方法工艺过程简单,实用性强,逐步成为研究的热点。但是,加热过程中温度场分布不均匀,会造成气泡大小差异,甚至造成局部结构破坏。所以该方法不适合制备对孔径分布要求较高的多孔陶瓷。

仿生结构复制法:将具有多孔结构的天然木材在800~1800 ℃下和惰性气体环境中裂解可以得到与木材多孔结构几乎完全相同的碳预制体,然后以碳预制体为模板,在1600℃通过液态金属硅的渗透反应可以得到多孔碳化硅陶瓷多孔结构【5】。

冷冻干燥工艺:将陶瓷浆料进行冷冻,使溶剂从液相变成固相冰,在干燥过程中通过降压使固相冰直接升华成气相而让溶剂排除,这样就留下了开口泡沫结构,经烧结后可以得到泡沫陶瓷。水基浆料的使用形成了该工艺的一个最大优势就是与环境友好,因为其孔结构的形成是通过在冷冻干燥过程中冰的升华来完成的,其释放出来的是气态H2O ,对环境不会造成任何污染。Fukasawa 等【7】用冷冻干燥工艺制备出单峰孔(10μm) 和双峰孔(10μm和0.1μm)的多孔A12O3陶瓷。

3.低成本陶瓷的应用领域

3.1.吸声材料

噪音是一种环境公害,有碍健康,整个社会对吸音材料的需求量很大,所以作为建筑材料,成本过高将限制其使用。因此研究开发低成本的吸音材料是一个重要方向。

泡沫陶瓷具有开口气孔和连通气孔,当声波传入时,气孔内空气受力振荡,由于气孔很小,震动会受到摩擦和阻碍,导致声音震动衰减,大部分的声能转化为热能,从而起到吸声的作用。如清华大学研制的膨胀型珍珠岩装饰吸音板可用于房屋天花板的装饰,其抗弯强度达1.47MPa,平均吸音系数为25%,可作为中低档住宅、会议厅、公共场所的内装饰材料。

3.2隔热保温材料及换热材料

泡沫陶瓷中闭合气孔的存在,减少了热对流,降低了导热率,使泡沫陶瓷具有热传导率低、抗热震性能优良等特性,是一种理想的耐热材料。由泡沫陶瓷制作的典型耐热材料,使用温度高达1600℃,热阻巨大,使得它可作为隔热保温材料使用,世界上最好的隔热材料正是这类材料,称为“超级隔热材料”,其传热系数比硬质聚甲酸乙酯泡沫低上千倍,可用于高级保温,如保冷集装箱;再高级的泡沫陶瓷隔热材料还可用于航天飞机外壳,隔热质轻;还用于导弹头,做为强迫发汗体系的构件。

在民用建筑领域,可做成保温板材、墙体,起到极好的保温效果。另外,由于泡沫陶瓷的泡沫特性以及它耐热、耐蚀、不污染、经济等优点,还可用作换热材料,如用在冶金、陶瓷、石油、化工的回热上。

4.结论

简单、廉价、经济是实用化的必要前提。低成本的泡沫陶瓷制备方法研究是未来发展的一个热点。从原料上控制成本,采用矿渣系原料,兼顾环境友好;简化现有的泡沫陶瓷制备工艺;采用新的泡沫陶瓷制备方法。

参考文献

[1]吴兴才,胡多朝,鲁德忠.利用煤矸石制备微米级泡沫陶瓷[J].煤炭科学技术,1998, 16 (03): 23-24

[2]王健,金鸣林,魏林,等.用粉煤灰制备新型水处理滤料[I].化工环保,2003(12): 352-357

[3] Dhara S, Pradhan M, Ghosh D, et al. Nature inspired novel processing routes for ceramic foams [J]. Adv Appl Ceram, 2005,104 (1): 9-21.

[4]毛小建,王士维.高孔隙率泡沫陶瓷的制备方法.中国发明专利,200510027545.2. 2005.

[5]钱军民,金志浩,乔冠军.木材陶瓷研究进展[J].无机材料学报,2003, 18 (4): 716-724.

[6] Sepulveda P, Binner J G P. Evaluation of the in situ polymerization kinetics for the gelcasting of ceramic foams [J]. Chem Mater, 2001. 13: 3882-3887

泡沫陶瓷范文第2篇

关键词:SiC泡沫陶瓷;高纯;抗热冲击性

1 前言

泡沫陶瓷是多孔陶瓷的一种,因其具有高孔隙率、耐高温、耐腐蚀、比表面积大等优点而得到广泛的应用,如:高温液体、气体过滤分离、耐腐蚀填料、催化载体等。广义上讲,具有泡沫孔洞,或用有机泡沫做填充载体、烧失得到的多孔陶瓷都可称为泡沫陶瓷。但从严格意义上来说,泡沫陶瓷是专指使用聚氨脂或其它有机材料的开孔泡沫塑料作为支撑载体,浸挂陶瓷浆料成型,之后在烧成过程中同时去除有机载体,得到的制品高孔隙率。[1]

泡沫陶瓷一般用作铸造行业的熔融金属过滤,其有堇青石、莫来石、氧化铝、碳化硅、氧化锆等等多种材质。而目前应用的较多的是氧化铝、碳化硅、氧化锆三种。其中,氧化铝泡沫陶瓷主要用于金属铝和铝合金;碳化硅泡沫陶瓷用于铸铁及有色金属;氧化锆泡沫陶瓷用于不锈钢及更高温合金等。普通的碳化硅泡沫陶瓷通常由碳化硅粉末、粘土、二氧化硅和氧化铝混合制成,[2] 在空气中的烧成温度范围为1200~1400 ℃,烧成过程中碳化硅颗粒与玻璃体或半结晶铝硅酸盐化合物结合,形成有一定强度和致密度的陶瓷体,这种制备工艺的一个特点是在烧结过程中不收缩或仅有轻微收缩,碳化硅合量一般不超过75wt%,这对于这种制品的正常使用已经足够了,因为绝大多数碳化硅泡沫陶瓷在铸造领域用作过滤器是一次性的,低含量的碳化硅可以有效降低成本和增大工艺的灵活性,由此提高生产效率。而在某些领域,如:燃烧器、柴油机尾气过滤器、加热元件、太阳能接收器等,需要更耐高温和抗热冲击性更好甚至导电的碳化硅泡沫陶瓷,现有制品中较低的碳化硅含量已经不能满足要求,而且往往需要长期重复使用。因此,需明显提高现有碳化硅泡沫陶瓷中的碳化硅含量,来提高其抗热冲击性和长期重复使用的性能。

本文选用优质高纯碳化硅粉为原料,使用少量活性添加剂,采用普通泡沫陶瓷的有机泡沫浸浆工艺成型,在惰性气氛下,采用大于1800 ℃的温度烧成,可以获得碳化硅含量>98%的碳化硅泡沫陶瓷,为高纯碳化硅泡沫陶瓷的应用提供了一项选择。

2 实验内容

2.1 实验原料

(1) 碳化硅粉:含量99.5%,平均粒经有1.2 μm、1.8 μm、18 μm、54 μm。

(2) 碳化硼粉:含量98%,平均粒经1.1~1.3μm,作为烧结助剂。

2.2 实验设备

本实验使用的主要设备是气氛烧结炉,它的特征为使用石墨发热体,炉体循环水冷,可抽真空,通气氛(本文中为Ar气),最高可烧至1950 ℃,功率为110 kW。

2.3 实验工艺

本实验所使用的工艺流程如图1所示。

(1) 配料

配料中基本配方为碳化硅粉,外加0.6wt%碳化硼(按有效硼的质量分数计算),碳化硅粉一个配方中用两种粒径的颗粒,以形成双峰颗粒分布。

(2) 浆料制备

浆料中分散介质为水;粉结剂使用水溶性酚醛树脂等树脂;悬浮液的固含量为80%左右;有机泡沫的规格为10~30 PPI(单位英寸的孔数目)。浸浆时可用离心机将多余的悬浮液去除,干燥后再重复浸浆和甩浆,这样重复多次,直到挂浆厚度、重量满意为止。

(3) 泡沫浸浆

对于规格为10 PPI(40 mm×40 mm×25 mm)有机泡沫,挂浆重量为20~25 g,即生坯密度为0.5~0.6 g/cm3,对于规格为30 PPI的有机泡沫,生坯密度为0.6~0.7 g/cm3,即25~30 g左右。

(4) 脱脂与烧结

干燥后脱脂在气氛炉中进行,控制缓慢脱脂以防开裂,通Ar气,目的是保留部分坯体中的残余碳,在随后的高温烧成过程中这些残余碳可以起到活化和助烧结作用,烧成时先抽真空,再通Ar气,最高烧成温度为1850~1900 ℃,保温2 h。因为制品SiC含量很高,具有优良的抗热冲击性,可以快速升温,在炉体水冷循环的情况下快速降温,整个烧成周期可缩至8 h。其烧成制度曲线如图2所示。

2.4 测试

(1) 强度测试

测试抗压强度,按普通泡沫陶瓷抗压强度测试方法进行。

(2) 抗热冲击性测试

为验证制品的高热冲击性,以水冷代替空冷来进行测试,将制品在空气中加热至1000 ℃后,迅速在冷水中急冷,测试之后的残余强度。

3 实验结果分析

3.1 配方选择

不同孔数的有机泡沫,其聚氨脂网络的粗细不同,10 PPI和30 PPI的有机泡沫网筋粗细有明显区别,其挂浆性能也因此不同,需要调整浆料尤其是颗粒粒径和浓度以适应上浆的需要。其配方及工艺参数详情如表1所示。

3.2 样品性能分析

Ar气高温烧成后的泡沫陶瓷样品性能如表2所示。

纯SiC的烧结需2200~2400 ℃的高温,这对设备要求很高,为降低烧成温度,常用单质硼、碳化硼等为烧结助剂,同时,单质碳也可起到活化作用。SiC是强共价键化合物,即使有助烧结剂存在,仍需很高的温度才能使颗粒颈部产生结合传质,促进烧结。本文中烧成温度为1900 ℃,制品泡沫陶瓷抗压强度接近1 MPa,基本能适应大部分的应用场合,若提升烧成温度至2000 ℃以上,有望进一步提高其强度。

与普通SiC泡沫陶瓷烧成零收缩不同,本文中样品均有烧成收缩。配方中含有较多1 μm左右的SiC细粉,在高温有助烧结剂存在时,产生传质自结合,引起收缩,同时又由于有更多的粗粉SiC存在,这种烧成收缩远比烧结纯SiC陶瓷要小很多。粗粉SiC的作用一方面是减少收缩以防止高温烧成开裂;另一方面粗粉的存在使坯体形成一部分闭气孔,这些封闭气孔可明显提高坯体的抗热冲击性能。2#样品烧成收缩略低于1#样品,是因为其配方中颗粒略粗于1#样品,相应强度也略低于1#样品,但两种样品热冲击性都很高,测试后仍有95%的残余强度。

4 结论

(1) 应用有机泡沫浸浆工艺使用高纯SiC原料,高纯配比,添加少量(0.6%)碳化硼助烧结剂,在Ar气高温1900 ℃可制备出高SiC含量的SiC泡沫陶瓷。

(2) 高纯SiC泡沫陶瓷具有优异的抗热冲击性能,为某些需要高温重复使用泡沫陶瓷制品的场合提供更多选择。

参考文献

[1] US Patent 3090094[p].

泡沫陶瓷范文第3篇

关键词泡沫陶瓷,浆料,性能

1 前 言

泡沫陶瓷是一种具有三维空间网架结构的高气孔率(80~90%)的多孔陶瓷体,由于其具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单及良好的过滤吸附性等优点,被广泛地应用于冶金、化工、轻工、食品、环保、节能等领域[1-3]。目前,泡沫陶瓷的主要制备方法有:有机前驱体浸渍法、发泡反应法、有机填积法、溶胶-凝胶法和凝胶注模法等。而国内泡沫陶瓷生产厂家多采用有机前驱体浸渍法,主要是该制备方法具有工艺简单、操作方便、无需复杂设备等优点[4],但该方法的缺点是难以成形形状复杂的泡沫陶瓷制品。

在有机前驱体浸渍法的工艺过程中,浆料的制备及浆料性能的调整是至关重要的一项工作,也是整个工艺中难度较高的工序。该过程除了要求具备陶瓷浆料的整体均匀性和微域均匀性外,还要求浆料具有尽可能高的固相含量和较好的触变性。

2浆料的制备工艺过程

浆料制备作为泡沫陶瓷浸渍法生产工艺的第一道工序,一向被视为关键工序。浆料性能的好坏直接影响多孔泡沫挂浆的效果,也对保证制品最后的强度、通孔率、体积密度等性能起到重要的作用[5]。下面介绍三种常见的泡沫陶瓷浆料的制备工艺。

2.1 干混工艺

干混工艺是指将粉料按配方称量好,根据先后顺序依次倒入机械混料机中,混料均匀后出料,再按配比加入液相粘结剂,手工搅拌后调成浆料使用。

该工艺的优点是操作简便、设备成本低、能耗小、工人劳动强度低。缺点是混料均匀性差,要求所使用的粉料具有较细的颗粒度,并且浆料具有较高的液相含量;多孔泡沫挂浆效果不好;烧成收缩较大(大于2.0%)。

2.2 湿混工艺

湿混工艺是指将粉料和粘结剂按配方称量,然后倒入机械自动搅拌机内,在规定时间内将浆料搅拌至均匀,并且使浆料具有一定的流动性。

该工艺的优点是操作简便、可较精确地控制浆料稠度、能耗小、工人劳动强度较低。缺点是混料均匀性不太好,不能达到粉体间的微观均匀性,并且要求所使用的粉料具有较细的颗粒分布。

2.3 球磨工艺

球磨工艺是指将所需原材料按配方称量后全部加入球磨机内,球磨至规定时间,浆料出球磨机陈腐一天后使用。

该工艺的优点是浆料均匀性好、具有高的固相含量、浆料触变性好、粉料颗粒要求不是很高。缺点是设备成本较高、能耗相对较大、工人劳动强度高。

3工艺试验和结果分析

分别采用干混、湿混、球磨三种浆料制备工艺进行试验对比,且三种工艺均按同一配方进行试验,配方见表1(氧化铝泡沫陶瓷生产的配方)。

其中,浆料中水的加入量按质量百分数的18~20%加入,可视多孔海绵网孔的大小而定。本次试验所采用的海绵网孔为10ppi(pore per inch,每英寸长度分布的孔数),按含水率18%加入粉料中。

3.1 干混的试验结果

按干混工艺制备浆料,磷酸氢铝按表1的配方比例换算为液体粘结剂,于粉料干混好后再加入,最后通过搅拌制得浆料。结果显示,浆料流动性较差,容易成坨。海绵挂浆效果见图1。从图1可以看出,海绵节点处浆料分布较多,而网线上浆料分布较少,甚至可以看见某些海绵网线出来,表面有轻微堵孔现象,并且上浆重量偏重。

根据以上现象分析,可能干混过程是一个颗粒之间相互交换错位的过程,由于颗粒粒径小,固相之间的混合很容易造成团聚从而使得混合不够均匀。即使搅拌非常充分,也只能达到粉体间的宏观均匀性。液相添加剂的后期加入,仅是固相和液相的简单混合,团聚的颗粒在粘结剂的包裹下更难分离,导致浆料的流动性较差,挂浆效果不够理想。

3.2 湿混的试验结果

按湿混工艺制备浆料,浆料有一定流动性,但触变性不好。海绵挂浆效果见图2。从图2可以看出,海绵挂浆后网线较细,浆料很容易从网孔中渗出,滚压不充分就会导致浆料堵孔。

因为搅拌伴随着液相与固相同时作用,且所用的设备为专业浆料搅拌机,按30kg浆料计算,搅拌时间约为25min,其所制得的浆料有较好的整体均匀性,流动性也较好。但由于粉料之间只有一个推动力作用,微细颗粒之间的团聚无外力作用使之分开,导致微域均匀性差,且浆料触变性不高。

3.3 球磨试验的结果

按球磨工艺制备浆料,浆料具有较好的触变性。海绵挂浆效果见图3。从图3可以明显看出,浆料均匀分布在海绵体内,表面平滑,网线也较粗。

球磨工艺结合了混料和球磨的双重功能,浆料在磨球的作用下不断混合。磨球之间的不断撞击,使得各种细粉原料之间的混合作用成为可能。同时,磨球还使原料中可能存在的粗颗粒细化,使浆料粒度分布均匀,提高浆料触变性,从而改善海绵的挂浆效果,烧成后产品(50mm×50mm×20mm-10ppi)的物理化学性能都较干混和湿混工艺的好,详细见表2。球磨后测得浆料的含水率为16.8%,固相含量得到相应的提高。

4结 论

通过对比干混、湿混及球磨三种工艺的优缺点,对于前驱体浸渍法制备的泡沫陶瓷工艺而言,球磨工艺制备的浆料可以明显改善海绵挂浆效果、提高制品性能,更适宜生产应用。

高的固相含量和粘着性可以保证浆料最大限度地附着在海绵网线上,从而保证产品具有高的抗折(抗压)强度。好的浆料触变性,可以使浆料均匀分布在海绵体内,并且不会出现堵孔现象,而采用球磨工艺就可以较好地达到这种效果。

参考文献

[1] 宁青菊,姚治才.多孔陶瓷材料[J].硅酸盐学报,1998, 4(1):41-45.

[2] 靳洪允. 泡沫陶瓷材料的研究进展[J].现代技术陶瓷,2005,15(8):33-36.

[3] 王连星.泡沫陶瓷的研究进展[J].耐火材料,1997,31(1):55-58.

[4] 王树海,李安明,乐红志等. 先进陶瓷的现代制备技术[M].北京:化学工业出版社,2007:344-366.

[5] 曾令可,王慧,罗明华等. 多孔功能陶瓷制备与应用[M].北京:化学工业出版社,2006:22-24.

Study of Slurry Preparation Process for Foam Ceramics

Wang XiaWang Jianxin

(Hangzhou Zhongya Special Refractory Co.,Ltd.FuyangZhejiang 311411)

Abstract: The process of slurry preparation at production technology of foam ceramics with impregnation technique was discussed in details and dry-mixed,wet-mixed and milling process about the advantages and disadvantages of slurry preparation process was contrasted respectively.And the milling technology with the best effects of improvement on slurry micro-homogeneity and product performance,is the most appropriate technology of foam ceramics'slurry production.

泡沫陶瓷范文第4篇

关键词 泡沫陶瓷,制备工艺,性能,分类

1 前言

自20世纪中期,陶瓷材料越来越受到人们的重视,尤其是1940年后出现的新型陶瓷,随着对材料要求的进一步提高,人们逐渐认识到陶瓷所具有的很多优良特性,如其它材料无法比拟的耐蚀、耐热、高硬度特性。进入21世纪,各国政府高度重视新能源和新材料的开发、减少能源与材料的浪费和消耗,泡沫陶瓷材料的开发就是在这种大背景下提出的,特别是全球经济进入高速发展后,世界工业的发展和变革,为泡沫陶瓷的发展和应用提供了巨大的舞台。

泡沫陶瓷的发展始于20世纪70年代,它是一种气孔率高达70~90%,体积密度只有0.3~0.6g/cm3,具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构的多孔陶瓷制品。作为一种新型的无机非金属过滤材料,它除了具有耐高温、耐腐蚀等一般陶瓷所具有的性能外,泡沫陶瓷还具有质量轻、气孔率高、比表面积大、强度高、耐高温、耐腐蚀、对流体自扰性强、再生简单、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点,与传统的过滤器如陶瓷颗粒烧结体、玻璃纤维布相比,不仅操作简单、节约能源、成本低,而且过滤效果好。泡沫陶瓷被广泛地应用于冶金、化工、轻工、食品、环保、节能等领域。

2 泡沫陶瓷的应用现状

2.1国外的发展情况

1978年,美国人Mollard F R和Davidson N等利用氧化铝、高岭土等陶瓷浆料制作出了泡沫陶瓷,并将其应用于熔融金属铸造过滤,显著地提高了铸件质量,降低了废品率。之后,英、日、俄、德、瑞士等国竞相开展了研究。生产工艺日益先进,技术装备越来越向机械化、自动化发展。已研制出多种材质、适合于不同用途的泡沫陶瓷过滤器,如堇青石、莫来石、Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4等高温泡沫陶瓷,产品已系列化、标准化,形成了一个新兴产业。

目前,国际上工业发达国家的铸造行业。已普遍采用金属熔体过滤工艺。这些国家的使用表明,运用泡沫陶瓷过滤技术可使铸件夹杂物含量大幅降低、合格率大幅度提高(可提高50%以上),可提高铸件的机械性能、延长金属切削加工的刀具寿命。据报道,在生产生铁铸件时,采用泡沫陶瓷过滤器,可使产品的合格率提高到80%。当灰口铁和可锻铸铁采用泡沫陶瓷过滤器进行净化、生产汽车用曲轴时,仅机械加工车间的废品率就从35%降低到0.3%。在连续铸钢中,采用泡沫陶瓷过滤,能使不锈钢中非金属夹杂物的含量大约减少20%。英国Foseco公司研制的泡沫陶瓷过滤器可消除比10μm小得多的夹渣,经过滤的铝合金压铸件比过滤前的铸件在机加工时刀具磨损量减小50%,过滤使铁素体球铁的疲劳强度提高10%左右,道具磨损减少0.04~0.1mm。

2.2国内的应用进展情况

在国内,随着对金属制品纯度、性能等要求的提高,泡沫陶瓷过滤技术及其产品的应用日益重要。泡沫陶瓷过滤技术在冶金铸造工业方面的应用也越来越广。

我国在80年代初开展泡沫陶瓷的研究工作,哈尔滨理工大学于1982年最早研制出用于铝合金过滤的泡沫陶瓷过滤器。此后,该校又陆续开发出可用于黑色金属过滤的泡沫陶瓷过滤器。在此期间,沈阳铸造研究所、上海机械制造工艺研究所、湖北省机电研究设计院、南昌航空工业学院、东风汽车公司等单位也先后开展了泡沫陶瓷过滤器的研究工作,并均取得丰硕成果。

近20多年来。已先后有多家科研机构和厂家进行了泡沫陶瓷制品的探索研究。熔融金属过滤用泡沫陶瓷国产产品已基本上可满足日益增长的国内需要,有的品种还大量出口,只有少数高端产品尚需进口。

3 泡沫陶瓷的分类和性能

3.1泡沫陶瓷的分类

泡沫陶瓷有多种分类方法。按孔隙之间关系可分为:闭口气孔和开口气孔两种。闭口气孔是指陶瓷材料内部微孔分布在连续的陶瓷基体中。孔与孔之间相互隔离:开口气孔包括材料内部孔与孔之间相互连通和一边开口、另一边闭口形成不连通气孔两种。

泡沫陶瓷按材质又可分为以下几种:

(1)铝硅酸盐材料。以耐火粘土熟料、烧矾土、硅线石和合成莫来石质颗粒为骨料,具有耐酸性和耐弱碱性,使用温度达1000~C。

(2)高硅质硅酸盐材料。主要以硬质瓷渣、耐酸陶瓷渣及其他耐酸的合成陶瓷颗粒为骨料生产,具有耐水性和耐酸性,使用温度达700~C。

(3)陶质材料。组成接近高硅质硅酸盐材料,是一种主要以多种粘土熟料颗粒与粘土等混合而得到的微孔陶瓷材料。

(4)硅藻土质材料。主要以精选硅藻土为原料,加粘土烧结而成,用于精滤水和酸性介质中。

(5)刚玉和金刚砂材料。以不同型号的电熔刚玉和碳化硅颗粒为骨料,具有耐强酸、耐高温特性,耐高温可达1600~C。

3.2泡沫陶瓷的性能

3.2.1气孔率

泡沫陶瓷的气孔率为70~90%,对多孔陶瓷来说,这是最高的。蜂窝陶瓷的气孔率约为60%,陶瓷颗粒烧结体的气孔率约为30~50%。

3.2.2抗弯强度

泡沫陶瓷的强度主要依赖于陶瓷材质和网络骨架的粗细。骨架的粗细可以用泡沫陶瓷的体积密度来表示。若使骨架变粗可以提高体积密度,增加制品的机械强度。但提高得过多,气孔孔隙会被料浆堵塞,压力损失变大。对于蜂窝陶瓷来说,在格子平行的方向、垂直方向和斜度方向强度相差很大,而泡沫陶瓷是一种三维方向一致的结构体,其强度没有方向性的变化。

3.2.3热震稳定性和网眼孔径

当泡沫陶瓷作为熔融金属的过滤材料时,由于其使用于温度骤变的场合,必须具有良好的抗热震稳定性。另外,由于金属熔体的粘度、密度及流动性不同,应选择不同大小的滤板网眼孔径。泡沫陶瓷的网眼孔径一般可控制在0.2~3mm范围内,通常分为粗、中、细孔三个等级。

而且,泡沫陶瓷材料微孔的表面化学特性和微孔的尺寸特性对泡沫陶瓷的性能有着重大的影响。而决定微孔的表面化学特性的因素有陶瓷的组成、状态和微孔的表面处理等方面。如:吸附性能是由微孔表面物质的化学组成、结晶构造、非晶质的有无来决定的。微孔的尺寸特性中,微孔直径、分布、形式、比表面积等对其过滤、分离性能有很大的影响。

4 泡沫陶瓷的制备工艺

泡沫陶瓷材料的制备方法有很多种,其中应用比较成功的有:有机物燃烧法、添加造孔剂法、发泡法、有机前驱体浸渍法及溶胶一凝胶方法等。

4.1发泡法

采用反应发泡的方法,可以制备出形状复杂的泡沫陶瓷制品,以满足一些特殊场合的应用。在陶瓷粉料中加入适当的陶瓷纤维,有望改善这一工艺,有效增加坯 体在烧结过程中的强度,避免粉化和塌陷。发泡反应法的工艺较复杂,不易控制,且制备出的泡沫陶瓷易出现粉化剥落现象并且含有大量闭气孔,因此在实际制备中较少被采用。

4.2溶胶一凝胶法

溶胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法,在化学合成中占有重要地位。在制备玻璃、陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得重要应用,更广泛用于制备纳米粒子。溶胶一凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中,然后经过水解反应生成活性单体,活性单体进行聚合,开始成为溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶,经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要的材料。

溶胶一凝胶法主要用来制备孔径在纳米级的微孔陶瓷材料,本方法经改进后也可以制备高规整度的泡沫陶瓷材料。运用溶胶一凝胶技术制备泡沫材料。在溶胶向凝胶的转化过程中,体系的粘度迅速增加。从而稳定了前期产生的气泡,有利于发泡。该工艺与其他工艺相比有其独特之处,现在正成为无机薄膜制备工艺中最为活跃的研究领域。

4.3添加造孔剂工艺

此工艺是通过在陶瓷配料中添加造孔剂,利用造孔剂在坯体中占据一定的空间,然后经过烧结,造孔剂离开基体从而形成气孔来制备泡沫陶瓷。虽然在陶瓷工艺中。采用调整烧结温度和时间的方法可以控制产品的孔隙度和强度,但对于多孔陶瓷,温度太高,会使部分气孔封闭或消失。温度太低,则产品强度低;而采用添加造孔剂的方法则可以避免上述缺点,使产品既有好的孔隙度又有好的强度。这种工艺方法的关键在于造孔剂种类和用量的选择。

4.4有机泡沫浸渍法

有机泡沫浸渍工艺是Schwartzwalder在1963年发明的,该方法利用有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构,将制备好的料浆均匀地涂覆在有机泡沫网状体上,干燥后烧掉有机泡沫体从而获得一种网眼多孔陶瓷。该方法通过控制浆料性能,优化无机粘结剂体系,严格控制浆料浸渍工艺过程,可制备出高性能的泡沫陶瓷制品,是目前泡沫陶瓷最理想的制备方法。用这种成形方法制备的泡沫陶瓷已在多个领域获得大量应用。

4.5自蔓延高温合成工艺

1967年,苏联科学家Mazhanov AG发明了自蔓延高温合成工艺(SHS),又称为燃烧合成法。该方法高效、节能,可以制备出性能优良的陶瓷材料,其产品具有较高的孔隙率,因此常用该方法制备具有联系网格结构的陶瓷材料。其基本思路是:当温度高于必要的点火温度时,诱发体系产生局部的化学反应。该反应是放热反应,在持续放热下,燃烧将涉及到整个体系。SHS的本质是一种高放热无机化学反应,近年来该SHS技术受到了广泛的关注。

4.6凝胶注模工艺

美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺,它是一种被广泛应用的新型成形方法。这种新的成形技术采用非孔模具,利用料浆内部或少量添加剂的化学反应使陶瓷料浆原位凝固形成坯体,获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯,从而显著提高材料的可靠性。该工艺可以使悬浮体泡沫化。而且能使液体泡沫原位聚合固化。作为制备多孔陶瓷的一种新方法,悬浮体泡沫化显然最经济,原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构,强度较高。Pilarsepulveda使用该工艺制备的多孔氧化铝陶瓷,其抗弯强度高达26MPa,孔隙率高达90%。

5 结 语

泡沫陶瓷范文第5篇

关键词:泡沫陶瓷;国家标准;行业标准

1 前言

十年前,由中华人民共和国国家经济贸易委员会的“泡沫陶瓷过滤器”(ceramic foam filter)建材行业标准,迎着行业内众人期盼第一次出台。十年已去,如今自然不再新鲜。但是由中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会的“铸造用泡沫陶瓷过滤网”(ceramic foam filter for foundry)标准,在去年悄然面世。这也将延续泡沫陶瓷标准在行业内的使命,推动国内泡沫陶瓷产业规范化发展,提升行业内产品的整体质量。

仔细对比,不难发现,两个标准存在很大不同。无论从技术指标还是遣词造句,或是图文并貌,国家标准都更全面完备。当然,行业标准也有它的优势,它主要针对氧化铝泡沫陶瓷过滤板而编写,针对性强。国家标准定义、图表以及数字较多,并规定了不同材质和规格的泡沫陶瓷,需对应相应的外观质量和性能要求。因此国家标准范围扩大了很多,对行业内的指导性价值将更大,也说明了国内泡沫陶瓷经过数十年的发展,产品已经进入多元化和成熟化的发展之路。

2 泡沫陶瓷行标与国标应用范围对比

在JC/T895-2001标准中,对其应用范围作了如下规定:本标准适用于铝及铝合金熔体过滤用泡沫陶瓷过滤器。这项范围的规定是基于当时国内泡沫陶瓷生产情况而定的。氧化铝泡沫陶瓷过滤器为当时的主要产品,碳化硅、氧化锆等其他材质的泡沫陶瓷制品基本没有生产,靠的是进口或外资企业的供给。然而,凭借JC/T895-2001标准,氧化铝泡沫陶瓷得到了广泛的推广和应用。到目前为止,氧化铝质泡沫陶瓷仍是产量最大的泡沫陶瓷种类。

在GB/T25139-2010标准中,对其应用范围作了如下规定:本标准适用于耐火原材料经高温烧结而成的铸造用泡沫陶瓷过滤网。可以看出其规定的范围大大扩大,不仅包括常用的氧化铝、碳化硅和氧化锆三种材质,还涵盖了所有耐火陶瓷原材料,包括以后可能出现的新的耐高温混合材质的泡沫陶瓷。同时,还规定了其用途,必定是用于铸造,如像污水、废气处理等用的泡沫陶瓷载体不在其适用范围中。另外,国标另辟蹊径,产品名称用过滤网代替了过滤器,也说明两者不是替代关系。

3 泡沫陶瓷行标与国标术语、定义对比

JC/T895-2001规定了两个定义:

(1) 泡沫陶瓷:是指以聚氨酯泡沫塑料为前驱体,采用浸渍陶瓷料浆成形工艺,经高温烧制成的具有泡沫状多孔结构的陶瓷制品。

(2) 通孔率:是指开口气孔体积在材料几何体积中所占的百分数。

GB/T25139-2010规定了8个术语和定义。具体包括如下:

(1) 铸造用泡沫陶瓷过滤网(ceramic foam filter for foundry)——以开孔聚氨酯泡沫塑料为前驱体,采用浸挂耐火浆料成形工艺,经高温烧结的具有三维立体网状结构的用于金属熔体过滤的特种陶瓷制品。

(2) 常温抗压强度(compressive strength at normal temperature)——常温下试样单位面积上所能承受的最大压力。

(3) 抗热震性(resistance to thermal shocks)——试样在急冷急热条件下具有的抵抗开裂的性能。

(4) 孔隙率(porosity)——试样在室温下浸渍时,被液体填充的孔隙(开口气孔)的体积与其轮廓体积的比值。

(5) 孔密度(hole density)——每25.4mm长度上的孔数。

(6) 裂纹(crack)——试样工作面(金属液垂直流经的面)上肉眼可见的裂纹。

(7) 体积密度(bulk density)——干燥试样质量与其轮廓体积(包括气孔)之比。

(8) 高温抗弯强度(high-temperature bending strength)——高温下试样所能承受的极限弯曲应力。

在国标中规定的术语和定义,行标中基本都有提到,但却只对“泡沫陶瓷”和“通孔率” 作了定义,略显单薄,所以新的国标中给予了补充。定义名称上虽然有所不同,实际上意思却是一样。值得一提的是,国标中创新性地提出了高温抗弯强度的概念,并把它作为泡沫陶瓷一项性能指标。这样可以很好地将产品性能与其实际使用过程相结合,能够更好地满足客户对产品的潜在要求。

4 泡沫陶瓷行标与国标的产品外观质量和尺寸偏差规定对比

4.1 外观质量对比

JC/T895-2001标准中规定了表面掉渣、磕碰或缺损、裂纹以及堵孔等外观质量的具体要求。同GB/T25139-2010标准中规定的缺边、掉角和凹坑等外观质量具体要求不太一样。说明目前的泡沫陶瓷成形技术已经较为成熟,基本不会存在堵孔现象,也说明了铸造厂家对泡沫陶瓷过滤器要求越来越严格。

4.2 尺寸偏差对比

泡沫陶瓷范文第6篇

关键词泡沫陶瓷,铸造,过滤器

1前 言

泡沫陶瓷是多孔材料的一种,它具备三维立体网络结构和高孔隙率特征。由于泡沫陶瓷的这种特殊结构,使其具有密度小、气孔率高、比强度高、抗热震性好、耐高温等优点。因此泡沫陶瓷被广泛应用在气体液体过滤、净化分离、化工催化、吸声减震、高级保温材料、生物植入材料以及特种强体材料和传感器等多方面[1,2]。

铸造是泡沫陶瓷过滤器应用最为广泛的行业之一。它的作用是使紊乱、翻腾的金属液经过泡沫陶瓷蜂窝孔后变得平稳、均匀、干净,从而大大降低由于非金属夹杂物等铸造缺陷导致的铸件废品率,节约生产成本[3]。

2泡沫陶瓷的生产工艺

泡沫陶瓷过滤器(CFF,即Ceramic FoamFilter) 是采用聚氨酯泡沫塑料为载体,将其浸入到由陶瓷粉末、粘结剂、助烧结剂、悬浮剂等制成的料浆中,然后挤掉多余浆料,使陶瓷浆料均匀涂敷于载体骨架从而形成坯体,再把坯体烘干并经高温烧结而成[4]。这种工艺又称为有机泡沫浸渍法,是目前国内较为成熟的生产工艺。

2.1 工艺流程

泡沫陶瓷的生产工艺流程见下图。

2.1.1 海绵加工工序

所用的有机泡沫多指聚氨酯多孔海绵,按不同孔径进行分类,有10PPi、15PPi、20PPi、30PPi等。海绵的网孔分类与产品网孔的分类却不尽相同,一般来说,PPi(Pore Per Inch,每英寸的孔数)数值越大,对应孔径越小,过滤的夹杂物也越小。

海绵加工工序作为头道工序,也非常关键。首先是海绵的选择,由于每个海绵泡体可能网孔不一,即使同一批海绵,加工前也一定要仔细核对网孔标准;其次是海绵切削的尺寸要精确;最后是加工好的海绵制品保证无倾斜。

2.1.2 调浆工序

配方的选择必须要保证浆料稠度与流动性的最佳状况,才能保证上浆过程产品能均匀上浆,达到所规定的上浆重量。因为这都是保证产品强度与通孔率合格的前提。调好的浆料通过其比重和稠度来判断其使用性能。

2.1.3 海绵改性工序

海绵改性是为上浆工序作准备,提高海绵的挂浆性能,使上浆均匀。

2.1.4 浸渍上浆工序

将改性好的干燥海绵制品,通过调好的浆料在辊压机上均匀涂敷成坯体。对于不同网孔的海绵制品需要不同稠度的浆料来上浆,否则达不到上浆的效果。

2.1.5 干燥工序

干燥工序主要是让上好浆的半成品将水分挥发掉,一般控制在1.0%以下即可。对于较大规格的产品,需要控制好干燥的环境,如温度、湿度等,以防止出现干燥变形与裂纹缺陷。

2.1.6 烧成工序

烧成工序是生产中最后一道的工序,由于配方的改进,考虑到生产的成本,现在泡沫陶瓷企业大多数的SiC泡沫陶瓷烧成都不需要进行气氛保护,烧成温度一般在1350~1450℃。

2.1.7 质检工序

泡沫陶瓷由于自身的多孔结构,烧出的产品都或多或少地存在掉渣现象。对于铸造厂来说,除了考虑过滤器的强度和网孔外,掉渣现象也是他们最关注的热点问题。因为过滤器本身就是用来过滤夹杂物的,而自身的掉渣却会起到相反的作用,从而导致铸件的报废。因此,质检工序除了检测外观与内质的合格外,清理掉渣也十分必要。

3铸造用泡沫陶瓷的过滤机理和使用建议

3.1 泡沫陶瓷过滤器的过滤机理

泡沫陶瓷过滤器通过对金属液的三种物理化学作用来分离液态铸造合金中的夹杂物,从而达到净化金属液的效果[5~6]。

3.1.1 滤饼效应

复杂的泡沫陶瓷结构,可以高效率地进行机械挡渣,当金属液通过结构复杂的泡沫陶瓷过滤器时,过滤介质通过机械分离作用,把大于过滤器表面孔径的夹杂物滤除,并使之沉淀在过滤器液态金属的流入端。随着夹杂物在过滤器表面上堆积数量的增多,逐渐会形成一层“滤饼”,使金属液流道进一步变细,因此新增的过滤介质表面可以滤除更为细小的夹杂物,与此同时,介质内部也有过滤作用,在贯穿于陶瓷体的众多小孔中,有的呈现微小狭缝,有的存在死角,这些变化不同的区域都是截获夹杂物的可能位置,过滤器内部也存在“滤饼”效应。

3.1.2 表面效应

当金属液流经结构复杂的陶瓷体时,被分成许多细小的流股,增大了金属液中夹杂物与过滤介质的接触面积及接触几率,由于过滤器表面是极微小的凹凸面,凹块尺寸约为1~10μm ,对夹杂物有静电吸附和粘附截流作用。

3.1.3 整流效应

金属液流过泡沫陶瓷过滤器时被分割成许多细小单元的流股,其直径较小,从而使雷诺数(Re=vd/r)变小,使液流趋于层流运动。当金属液处于层流状态时,由于熔融金属液的密度远大于夹杂物的密度,因此夹杂物有充分的时间被上浮除去,也即泡沫陶瓷过滤器能辅助横浇道进行挡渣。浇注系统中放置过滤器后,金属液流动的阻力增加,在横浇道中流动的金属液容易形成充满运动,并使流速降低, 有利于夹杂物上浮, 并滞留在横浇道顶面。

3.2 泡沫陶瓷过滤器的使用建议

(1) 根据合金熔点来选用合适材料的过滤片,以免温度过高,损坏过滤片功能,达不到过滤效果。

(2) 选择相应的网孔,净化效果要与铸件要求相配。

(3) 浇铸温度尽量采用工艺上限,以增加金属流动性。

(4) 过滤网水平放置在交口杯下或分型面上时,浇铸高度不能超过20cm,最好金属液冲在交口杯壁,不直接冲向过滤网。

(5) 过滤片须轻拿轻放。不用时,放在干燥通风处,以免吸潮影响过滤片的强度。

4结论

有机泡沫浸渍法是目前泡沫陶瓷过滤器应用较广泛的生产工艺。但随着市场竞争的加剧、原材料价格的上升等因素影响,如何进一步改善该工艺,提高生产效率、提高产品质量、降低生产成本已成为当前研究的重要课题。国内泡沫陶瓷过滤器与国外相比,无论在外观与产品质量上都存在不小的差距。并且现有的品种单一,只能占有部分中低档市场。虽然也有泡沫陶瓷国产产品出口,但价格却不理想,供货也不稳定。另一方面,尽快制定泡沫陶瓷过滤器国家标准,有利于泡沫陶瓷行业的发展。

今后还需进一步加大研究、开发和应用力度,提高泡沫陶瓷性能,完善现有的制造工艺,彻底解决铸钢、高温合金和连铸用中高档泡沫陶瓷的实际生产问题。同时开发化工、环保、节能、医学、电子等领域的泡沫陶瓷。

参考文献

1 靳洪允.泡沫陶瓷材料的研究进展[J].现代技术陶瓷,2005(3):33~35

2 陈汉添.氧化锆基泡沫陶瓷的工艺原理及性能表征[J].陶瓷,2006(6):16

3 冯胜山,陈巨乔.泡沫陶瓷过滤器的研究现状和发展趋势[J]. 耐火材料,2002,36(4):235~239

4 Sutton WH,et al.Development of Ceramic Foam Materials for Filtering High Temperature Alloys[J].AFS Transactions,1985,93:171~176

5 房文斌,耿耀宏等.泡沫陶瓷过滤器过滤净化液态金属的机制[J].铸造,2001,50(8):482~484

6 Wiser P F,Dutta I.Priming And Flow Through Filters[J].AFS Transactions,1986:85

The Process of Ceramic Foam Filter Used in Foundry

WangXia

(Foshan Ceramic Research InstituteFoshanGuangdong 528031)

Abstract: Production technology and filtering mechanism of ceramic foam filter was discussed in details.Foam processing,pulp conditioning and sintering processes are introduced respectively.The technical requirements of filters production and casting process are pointed out in this paper.

泡沫陶瓷范文第7篇

关键词:氧化铝;泡沫陶瓷;现状;展望

1前 言

泡沫陶瓷材料最早于20世纪70年代由美国科学家利用氧化铝和高岭土等原料研制成功,是一种具有高温特性的多孔材料[1]。我国对氧化铝泡沫陶瓷的研究起步较晚,于20世纪80年代初才开展。泡沫陶瓷作为第三代多孔过滤陶瓷,以其密度小、气孔率高、耐高温、比强度高、耐腐蚀等优良特性被广泛应用于金属熔液过滤、隔热隔音材料、汽车尾气处理、电工电子领域、医用材料领域以及生物化学等领域[2-3]。它制造工艺简单,通过选择不同的材质,并控制加工工艺过程,可以制成适合于不同用途的泡沫陶瓷产品。

氧化铝泡沫陶瓷是使用最早的一类泡沫陶瓷,也是泡沫陶瓷三大类(氧化铝、碳化硅、氧化锆)的一个重要分支,被广泛使用于铝及其合金铸造行业。目前,随着铝及铝合金制品性能要求的不断提高,对于铝液过滤也提出了新的要求,要求铝液具有纯度高、浮杂少、铝液流速平缓等良好的浇铸特性,以使浇铸出的铝制品具备优秀的理化性能和机加工性能,从而满足更苛刻的使用条件,并延长铝制品的使用寿命。

2氧化铝泡沫陶瓷的发展现状

2.1 产品规格

泡沫陶瓷大板一般指300mm×300mm×30mm以上规格的过滤板,当今市场上销售较多的几种规格有长宽尺寸均为12inch、15inch、17inch、20inch和23inch等,厚度有30mm、40mm和50mm等。依托现有泡沫陶瓷的生产技术,国内厂家都可根据客户要求生产出不同规格和形状的过滤板。

2.2 生产厂家及其分布情况

目前,国内以泡沫陶瓷大板为主要产品、具有一定规模的生产厂家近20家,其中主要分布在华中、华东、华南地区,大致分布为:广东2家、福建1家、山东2家、天津1家、北京2家、山西1家、江西3家、江苏3家和浙江2家。这些厂家生产的过滤板大都在国内销售,出口较少。

2.3 产品质量

国内氧化铝泡沫陶瓷产品质量参差不齐,产品质量的差距主要体现在过滤板表面裂纹、产品强度、网孔均匀性以及尺寸偏差等方面,质量较好的过滤板具有产品强度高、表面无裂纹、网孔均匀、尺寸偏差小等特点。国内质量好的过滤板与国外产品相比差距不大,主要是在产品外观上存在一定不足,如网丝不够粗、表面不够光滑等,还有就是产品稳定性不如国外控制得好。

2.4 产品销售情况

国内厂家生产的过滤板主要是满足国内各铝厂的需求,现在国内铝厂基本都采用过滤板净化铝液,从而达到提高铝制品合格率及性能的目的。我国是铝制品的生产大国,铝制品产量一直居于世界第一,但主要以中低端产品为主。随着市场需求的不断扩大,铝制品必定要走向高端化,泡沫陶瓷过滤板的使用可提高铝制品的质量,提高产品档次,使之满足高端市场的要求。因此,对过滤板的需求将不断增加,其市场也将变得广阔。

2.5 生产工艺现状

国内泡沫陶瓷生产普遍采用的是有机前驱体浸渍法,由于该法操作简便、设备投入少、生产易于控制,并且能实现批量生产,因此得到了广泛运用。虽然每个厂家生产的具体情况有所不同,但大致工艺过程及所需控制的工艺技术点都是一样的。该制备方法主要有三个关键因素:一是海绵的选择及控制;二是原料的配比;三是烧成的控制。

3前景展望

3.1 生产工艺展望

随着有机前驱体浸渍法制备泡沫陶瓷工艺的不断成熟,以及国内生产厂家的不断研发创新,泡沫陶瓷生产工艺将朝着科技化、自动化的方向发展。例如原料配料将朝着搅拌球磨的方式发展,这样制备的浆料均匀性较好;干燥将向微波干燥方式发展,该方法具有节约能源、干燥快速、均匀的特点;烧成将向辊道窑烧成方式转变,因辊道窑具有内部气氛和温度均匀、产量大等特点,有利于提高产品质量。这些工艺在国外已经比较成熟,也是国内目前要引进吸收和消化的。

另外,利用陶瓷废料生产泡沫陶瓷也是未来发展的重要方向,符合现在提倡的资源节约、环境友好型生产的可持续发展方针。侯来广[4]等已经报道了陶瓷废料在多孔陶瓷制备中的应用,并列举实例说明了其必要性和可行性。

3.2 产品质量展望

随着先进生产工艺与设备的引进,氧化铝泡沫陶瓷过滤板的产品质量将逐步得以提高,并朝着产品规格越来越大、网孔越来越小、成本越来越低及产品强度越来越高的方向发展。这些都是对铝及铝合金厂家提出的要求,也是未来市场提出的要求。

3.3 产品销售展望

目前,国内过滤板出口还很少。但未来几年,随着国内泡沫陶瓷市场竞争的加剧,开拓国外市场将成为国内厂家的新方向,尤其是中东、非洲、南美等发展中地区的市场将成各厂家争相开发的目标,过滤板的出口销量也将随之增大。

4结 语

(1) 随着对铝制品质量要求的不断提高,氧化铝泡沫陶瓷大板以其优良的过滤性能,其应用前景将更加广阔,同时竞争也将更加激烈;

(2) 氧化铝泡沫陶瓷的生产工艺将在现有的基础上得到进一步的发展,尤其是配料、干燥与烧成工艺将逐步与国外对接;

(3) 氧化铝泡沫陶瓷大板的出口量将在未来几年内持续增加,产品质量也将逐渐提升,向着网孔小、尺寸偏差小、产品强度高的方向发展;

(4)利用陶瓷废料制备氧化铝泡沫陶瓷将成为未来几年的重要发展方向;

(5) 开发氧化铝泡沫陶瓷的新用途,如在污水处理等方面的应用,也是氧化铝泡沫陶瓷未来发展的方向。

参考文献

[1] Zhu Xinwen,Jiang Dongliang,Tan Shouhong,et al.Improvement in the thickness of reticulatedporous ceramics[J].J.Am Ceram Soc,2001,84(7):1654-1656.

[2] 张守梅,曾令可.环保吸声材料的发展及展望[J].陶瓷学报,2002,23(1):56~60.

[3] 李小龙.多孔陶瓷材料[J].中国陶瓷,2000,36(4):36-39.

泡沫陶瓷范文第8篇

关键词:泡沫陶瓷;烟气;海绵;处理方法

1 前言

自上世纪80年代中期开始,国内对金属熔体铸造用泡沫陶瓷过滤板开始研究。叶荣茂等是国内最早研究并制得铝合金、铸铁、不锈钢过滤用泡沫陶瓷过滤器的人[1]。国内各研究院所也对泡沫陶瓷基础理论和相关制备技术进行了大量研究工作,并取得了许多成果。

近年,随着金属铸造行业的飞速发展,关于泡沫陶瓷过滤板的研究也得到了长足发展。各类材质的泡沫陶瓷过滤板生产工艺、专利技术、学术论文大量呈现,国内泡沫陶瓷生产厂家也从当初十几家,发展为现在近百家。除泡沫陶瓷生产面临的自身技术问题外,生产过程中的环境保护问题变得日益重要。例如,泡沫陶瓷过滤板在烧成过程中,海绵烟气的排放对环境是有害的。因此,随着国家环保要求的日益严格,做好生产过程中的环保处理已成为厂家重中之重。如若不能做好这点,企业将面临迁址甚至淘汰。因此,研究如何处理泡沫陶瓷烧成过程中的烟气,达到合格排放,甚至接近零排放,是国内泡沫陶瓷生产厂家亟待解决的问题。

2 泡沫陶瓷过滤板烟气处理方法

2.1 海绵及海绵燃烧产生的烟气成份分析

要处理泡沫陶瓷烧成产生的烟气,首先要了解泡沫陶瓷所用的聚氨酯海绵成份,然后对其燃烧过程中产生的烟气成份、烟气量等进行分析。

泡沫陶瓷所用的软质聚氨酯多孔网状海绵,是由甲苯二异氰酸酯、聚醚多元醇、胺催化剂、二氯甲烷、硅油等化工原料发泡而成的闭孔海绵泡体,再用乙炔或氢气将其开孔成三维贯通网状结构[2,3]。开孔型聚氨酯海绵密度只有0.03~0.05 g/cm3。海绵经过多种化工原料反应制成,其化学成份复杂,关于其化学成份的报道也非常少。报道研究海绵化学成份大致为聚氨酯、聚丙二醇、二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯等,具有分子链长、分子量大等特点。

甲苯二异氰酸酯作为聚氨酯海绵发泡的重要材料,也是燃烧后污染烟气的重要来源。甲苯二异氰酸酯(Toluene diisocyanate,简称TDI),分子式为C9H6N2O2,具有两种同质异形体,即2,-4甲苯二异氰酸酯和2,-6甲苯二异氰酸酯。分子结构排列如图1所示。从图1可以看出,其苯环结构上有两个氰基键,是气毒性主要来源。燃烧是一种复杂的过程,聚氨酯海绵经燃烧释放的气体成份复杂,含有大量氰化物、苯化合物、碳化合物和氮化合物等有毒有害气体,这些气体同时包裹有一些难融颗粒粉尘和液(油)滴,对环境产生重大危害[5,6]。另外,对于使用磷酸二氢铝为粘结剂的泡沫陶瓷过滤板,坯体燃烧后的气体还含有大量腐蚀性酸性氢离子。对分子量小的气体或液滴处理较简单,而对分子量大的气体、粉尘或油滴处理较为复杂。

2.2 烟气处理方法

烟气处理方法种类很多,国内控制烟气排放指标主要为烟尘和二氧化硫。但由于聚氨酯海绵的燃烧成份不同,笔者认为控制的有害成分主要为烟尘、氰基、苯化合物及一氧化碳等。针对这些有毒有害成份,可采用物理方法,如:水净化法、活性炭吸附和静电法。也可采用化学方法,如:焚烧法和高强紫外线分解法。但实际处理过程中,往往采用物理和化学两者方法相结合。

2.2.1焚烧处理法

焚烧是将海绵烟气通入燃烧室,然后经过1000 ℃以上高温充分燃烧。焚烧的目的是将大分子断裂成小分子,将大部分有毒有机物(如:氰化物、二f英、苯化物等)燃烧为无毒氧化物(如:CO2、N2、H2O等)。焚烧同时可以将烟气中部分难融固体颗粒及粉尘燃烧成可挥发性气体。

2.2.2水净化处理法

水通过水塔喷洒出来,可对烟气中大部分可溶性气体、固体颗粒及粉尘等物质进行溶解净化。在水中加入碱可中和烟气内酸性气体,同时可以净化其它油性有机分子。水塔内水可重复循环使用,当其有机物含量达到60%以上,需要更换水。

2.2.3活性炭吸附

活性炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的碳质吸附材料,它具有吸附能力强、化学稳定性好、力学强度高及可再生等特点。当一个分子被活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后,由于分子间相互吸引的作用,会导致更多的分子不断被吸附,直到填满活性炭内孔隙为止。因此,活性炭对重金属、有毒气体具有很好地吸附净化效果,但由于其良好的吸附性能,活性炭空隙很容易被填满,不再具有吸附效果。因此,活性炭也需要经常更换。活性炭通过碱水洗涤晾干后,可重复循环使用。

2.2.4高压静电除尘

高压静电除尘对粉尘、烟雾和气体颗粒具有很好的处理效果。高压静电除尘通过静电除尘器一系列交错组合的电极产生的高压电流,使通过除尘器的粉尘、油渍分子等带电,由电场引力作用而被收集在金属集尘板上[7]。由于海绵烟气内聚醚等原料多为石油提炼物,集尘板上吸附的基本为油性有机物。吸附到一定程度后,需对其装置进行冲洗。由于油性物质附着力强,装置先于碱水中浸泡后再冲洗。

2.2.5光解净化

光解作用是通过波长范围为170~185 nm的高能紫外线,将空气中的氧气裂解产生臭氧,同时将键能低的烟气气体化学键断裂,形成游离态的原子或原子基团。随后臭氧参与到反应过程中,使烟气气体最终被裂解、氧化生成简单稳定的化合物(CO2、H2O、N2等)。光解作用能否达到效果,主要取决于发射的紫外线能量是否高于有毒有害气体断裂所需能量;其次反应设备内烟气浓度不能太大,否则氧气量不足,不能达到光解净化效果。

2.3 不同结构窑炉烧成泡沫陶瓷烟气的处理

结合上述烟气成份、烟气处理方法,需要针对不同结构窑炉烧成产生的烟气,采用不同的烟气处理工艺。因为窑炉结构不同,同等产量的泡沫陶瓷,产生的烟气成份、烟气量都是不同的。

2.3.1 梭式窑烧成烟气处理方法

梭式窑烧成泡沫陶瓷过滤板,具有排放集中、排放量大等特点。对于普通有效体积为2.0 m3梭式窑,烧成产生烟气总量并不大。但梭式窑烧成排放时间短,一般2 m3海绵产生的烟气在3 h左右会全部排放,所以其单位时间烟气排放量是巨大的。因此,简单的净化、吸附设备对集中的高浓度烟气处理效果不好,需要在梭式窑后增加一间体积较大燃烧室,采用焚烧法对烟气进行初步燃烧处理。燃烧室通过高速喷嘴喷射的火焰瞬间可达1000 ℃以上。烟气经过燃烧室焚烧后颗粒粉尘大大减少,有毒氰基、苯化物及氮化物等也大部分被高温分解,生成分子量小的气体。这些气体再通过水塔吸附过滤颗粒、静电除尘除去粉尘及烟雾和活性炭吸附异味气体等工艺处理,排放气体可达到环保要求。梭式窑烧成烟气处理工艺如图2所示。

2.3.2隧道窑烧成烟气处理方法

隧道窑烧成泡沫陶瓷量不大,烟气又属于连续排放,因此其单位排放量较小,处理较为容易。通过水塔、活性炭和光解净化器即可达到较好的处理效果,排放的烟气达到环保要求。

由于烟气未经焚烧处理,活性炭装置位置应靠前(水塔后),从而吸附烟气中的大量有毒气体。这样可减轻光解净化器内缺氧压力,提高其光解净化效果。但是,由于活性炭吸附量大,很容易堵塞而失去吸附效果。因此,活性炭需要经常更换。隧道窑燃烧烟气处理工艺如图3所示。

2.3.3辊道窑烧成烟气处理方法

辊道窑烧成泡沫陶瓷产量较大,烟气排放也较大,但由于辊道窑属于连续生产,单位时间烟气排放相比梭式窑小。在辊道窑设计中,考虑到节能减排,烟气往往通过助燃风管道引入高温区,从而提高助燃风温度,提升燃烧效率。海绵燃烧挥发烟气采用助燃风,将其引入高温区后既可降低煤气消耗量,又能达到烟气焚烧的目的。经过高温区约1200 ℃的高温燃烧,出来烟气又通过水塔、静电除尘、活性炭吸附及光解净化等处理后,烟气量少、颜色为淡白色、无气味,完全可达到排放标准。由于静电除尘器位置靠前,减少了活性炭更换次数。但静电除尘集尘板容易吸附油性物质,应采用可拆卸清洗的集尘板,便于重复循环使用。辊道窑燃烧烟气处理工艺如图4所示。

3 结语

泡沫陶瓷过滤板由于采用聚氨酯海绵为前驱体,在烧成过程会产生海绵烟气。海绵烟气成份复杂,含有大量有毒有害气体、颗粒及液(油)滴。这些烟气需要经过焚烧、净化、过滤等一系列处理合格后,才能排放。

(1) 对海绵烟气处理的常用方法有:焚烧法、水净化法、活性炭吸附法、静电除尘法和光解净化法。不同方法处理效果不一样,实际烟气处理工艺设计应根据窑炉结构不同,采用多种处理方法相结合,以达到烟气排放要求。

(2) 梭式窑海绵烟气处理工艺:烟气焚烧水净化静电除尘活性炭吸附。

(3)隧道窑海绵烟气处理工艺:水净化活性炭吸附光解净化。

(4) 辊道窑海绵烟气处理工艺:水净化静电除尘活性炭吸附光解净化。

参考文献

[1] 叶荣茂,杨弋涛,王惠光.泡沫陶瓷过滤器ZGlCrl8Ni9Ti生产中

的应用研究[J].铸造,1987(7):6.

[2] 林永泉.爆炸法生产网化聚氨酯泡沫塑料[J].聚氨酯工业,2002

(17).

[3] 邹开良.网化聚氨酯泡沫塑料的研制[J].聚氨酯工业,2001(16).

[4] 易爱华,刘建勇,赵侠等.三种不同有机材料燃烧性能的研究

[J].消防科学与技术,2010(29):373~375.

[5] Craig beyler.Toxicity assessment of products of combustion of

flexible polyurethane foam[J].消防科学与技术,2007(26):476~

483.

[6] 李显明.浅谈垃圾焚烧发电厂烟气处理工艺[J].工业技术,2012

泡沫陶瓷范文第9篇

关键词:悬浮液稳定性;有机泡沫浸渍法;多孔氧化铝陶瓷;助烧剂

1 前言

多孔氧化铝陶瓷具有热导率低、介电常数低、比表面积大、硬度高、耐磨损、耐高温、抗腐蚀等优良性能,引起了全球材料学界的高度重视,并得到了较快发展,每年这方面的专利都有十几篇,并且有逐年增长的趋势[1]。其应用遍及环保、能源、化工、生物等多个领域,在国民经济发展中起到了重要的作用。

另外,制备多孔氧化铝陶瓷原料来源广泛、价格低廉、生产工艺简单、具有较高的性价比以及很大的商业价值。多孔氧化铝陶瓷现已广泛应用于净化分离“固定化酶载体”吸声减震和传感器材料等众多领域,在航天航空、能源、石油等领域中也具有十分广阔的应用前景[2]。因此,多孔氧化铝陶瓷引起了材料科学界的极大兴趣,成为一个非常活跃的研究领域,每年在这方面都有大量的论文和专利发表,世界上不少国家,尤其是美、日、德等国都非常重视,并投入了大量人力物力进行研究开发[3]。

本文主要的研究方向有两个,首先由于悬浮液是多孔陶瓷的主要框架材料,悬浮液的稳定性是有机泡沫浸渍法制备多孔氧化铝陶瓷工艺的一个关键因素,所以本文第一部分研究加入不同分散剂(阿拉伯树胶、聚丙烯酸铵、硅溶胶)对悬浮液稳定性的影响,并得出相对于固含量为5%的悬浮液,稳定性最佳的分散剂种类和含量。其次,由于高含量氧化铝陶瓷致密烧结温度不低于1600℃,因此本文选择不同助烧体系进行预实验,向氧化铝粉体中加入不同助烧剂后,进行压片烧结,找出可将氧化铝陶瓷烧结温度降低至1200℃的助烧体系,并在之后的实验中使用该 体系作为助烧剂。最后选用合适的有机泡沫,经过预处理后在30%固含量的悬浮液中进行浸渍、干燥、烧结,并得到气孔率可测的多孔氧化铝陶瓷。

现如今多孔氧化铝陶瓷的应用越来越广泛,但是由于氧化铝本身烧结温度过高,烧结条件比较苛刻,成本较高。有机泡沫浸渍法是制备多孔氧化铝陶瓷最常见方法,因此如何在利用有机泡沫浸渍法制备多孔氧化铝陶瓷的同时,降低陶瓷的烧结温度就成为了一个重要课题。综合前人有机泡沫浸渍法制备多孔氧化铝陶瓷和低温烧结陶瓷技术的相关研究,自主设计相关实验,希望通过有机泡沫浸渍法制备出烧结温度较低,且气孔率较大的多孔陶瓷,为以后的多孔氧化铝陶瓷制备,以及相关的低温烧结工艺打下基础。

2 实验部分

2.1 实验原料及设备

超细氧化铝粉体,分析纯,中国铝业山东分公司;聚丙烯酸铵,分析纯,天津市福晨化学试剂厂;阿拉伯树胶 ,分析纯,沈阳新云试剂厂;CuO,分析纯,天津市大茂化学试剂厂;SiO2,分析纯,天津市福晨化学试剂厂;TiO2 分析纯,沈阳新云试剂厂。

超声波清洗器,CQF-50型;电热恒温鼓风干燥箱DHG-9076A型;万能试验机,WE-30型,长春试验机厂;高温炉,SRJX-8-13型,沈阳市电炉厂;数显恒温水浴锅 ,HH-2型,江苏金坛仪器厂;X射线衍射仪,XRD-6100型,日本岛津公司;扫描电子显微镜,SSX-550型,日本岛津公司;行星式球磨机 ,QM-3SP2J型,南京大学仪器厂。

2.2 实验步骤

配制固含量为30%的悬浮液,用2 mol/L的NaOH溶液预处理过的有机泡沫进行浸渍,60℃干燥制成坯体后,最后进行烧结,300℃保温30 min,目的是缓慢去除有机泡沫,之后升温至1200℃,保温2 h,自然冷却。

观察其宏观形貌,并分别利用排水法测定由不同规格有机泡沫制成的氧化铝多孔陶瓷成品的气孔率,最后分别将不同规格成品进行扫描电镜微观形貌观察,随机选取一个成品进行XRD检测实验,观察数据并记录。

3 结果与讨论

3.1 不同悬浮液稳定性

利用沉降法分别对加入三种不同分散剂的悬浮液测试其稳定性,记录相关数据,并分析。

3.1.1 聚丙烯酸铵分散剂

在有机泡沫浸渍法制备多孔氧化铝陶瓷工艺中加入不同含量聚丙烯酸铵作为分散剂,对悬浮液稳定性的影响如图1所示。由图中可以看出当聚丙烯酸铵的添加量在0~0.2%时,S提升速度非常快,这说明加入少量分散剂时,聚丙烯酸铵的分散效果特别明显;当添加量在0.2~1.0%之间时,随着聚丙烯酸铵的添加量不断增加,S继续提升,但是升高速度有所下降;当聚丙烯酸铵的添加量在1.0~1.6%之间时,随着聚丙烯酸铵的添加量不断增加,S呈现下降的趋势,尤其是在1.4%之后,下降程度较大。即当聚丙烯酸铵添加量为1.0%时,S达到最大值。

由此得出结论:氧化铝陶瓷悬浮液以聚丙烯酸铵作为分散剂时,在聚丙烯酸铵含量在0~2.0%的这一区间内,添加量为1.0%时悬浮液稳定性达到最佳。

3.1.2 阿拉伯树胶分散剂

在有机泡沫浸渍法制备多孔氧化铝陶瓷工艺中加入不同含量阿拉伯树胶作为分散剂,其对悬浮液稳定性的影响如图2所示。由图中可以看出当阿拉伯树胶的添加量在0~0.2%时,S变化较小;0.2~0.4%之间时,随着阿拉伯树胶的添加量不断增加,S呈现较快的上升趋势;0.4~0.8%时,虽然依旧处于上升趋势,但速度较慢;0.8%时,S达到相对最大值;0.8~1.8%之间时,随着阿拉伯树胶的添加量不断增加,S呈现下降的趋势,下降过程较为平缓;1.8~2.0%则又开始出现上升趋势,但由于添加量为0.8%时就已经有比较满意的稳定结果,因此本文不对之后的添加量高于2.0%的悬浮液做相关研究。

由此得出结论:氧化铝陶瓷悬浮液以阿拉伯树胶作为分散剂时,在阿拉伯树胶含量在0~2.0%的这一区间内,阿拉伯树胶的添加量为0.8%时悬浮液稳定性达到最佳。

3.1.3 硅溶胶分散剂

在有机泡沫浸渍法制备多孔氧化铝陶瓷工艺中加入不同含量硅溶胶作为分散剂,对悬浮液稳定性的影响如图3所示。由图中可以看出当硅溶胶的添加量在0~4%之间时,随着阿拉伯树胶的添加量不断增加,S呈现较快的上升趋势,达到4%时趋于平缓。继续增加硅溶胶含量,S稳定上升,当添加量达到14%时悬浮液稳定性达到最佳。继续增加硅溶胶含量,S开始出现缓慢的下降趋势。

由此得出结论:氧化铝陶瓷悬浮液以硅溶胶作为分散剂时,在硅溶胶含量在0~20%的这一区间内,硅溶胶的添加量为14%时悬浮液稳定性达到最佳。

3.2 不同助烧体系对氧化铝陶瓷烧结的影响

由于氧化铝陶瓷烧结温度过高,烧结条件较为苛刻,所以作者希望可以找到一种可以降低氧化铝陶瓷烧结温度至1200℃的烧结体系,来进行下一步的多孔氧化铝陶瓷的烧结工作。首先,分别向氧化铝粉体中加入不同助烧体系(表1),经过球磨、干燥、压片成型,在1200℃进行烧结,保温时间为2 h,自然冷却,然后将成品进行扫描电镜微观形貌观察及XRD检测实验。最后将样品放入水中,水浴加热90℃保持30 min,观察是否有粉体脱落。根据是否有粉体脱落,初步判断陶瓷的烧结程度,无粉体脱落,且具有一定硬度,则认为达到烧结要求。

3.2.1 SiO2/CuO助烧体系助烧效果分析

对以SiO2/CuO为助烧体系的氧化铝陶瓷XRD图像进行了峰值标注(如图4),其中主要标明了对应Al2O3的峰值,还有一部分强度较低的峰,但经过对比都不与SiO2或CuO相对应,因此推论SiO2和CuO参与了氧化铝陶瓷烧结中的相关反应,并起到了一定的作用。同时根据图5也可以看出陶瓷粉体已经不再是单独的颗粒,而是开始某种方式的结合,这也说明SiO2和CuO可以促进较低温度下氧化铝陶瓷的烧结过程。综合上一节中加入SiO2/CuO助烧体系的氧化铝陶瓷在1200℃就可以完成烧结的结论,SiO2/CuO、TiO2/CuO、SiO2/TiO2/CuO三种助烧体系可以有效降低氧化铝陶瓷的烧结温度至1200℃左右。

3.2.2 TiO2/CuO助烧体系助烧效果分析

对以TiO2/CuO为助烧体系的氧化铝陶瓷XRD图像进行了峰值标注如(如图6),其中主要标明了对应Al2O3的峰值,还有一部分强度较低的峰,但经过对比都不与TiO2或CuO相对应,因此推论TiO2和CuO参与了氧化铝陶瓷烧结中的相关反应,并起到了一定的作用。同时根据图7也可以看出陶瓷粉体已经不再是单独的颗粒,而是开始某种方式的结合,这也说明TiO2和CuO可以促进较低温度下氧化铝陶瓷的烧结过程。综合上一节中加入TiO2/CuO助烧体系的氧化铝陶瓷在1200℃就可以完成烧结的结论,笔者认为TiO2和CuO按照表1中的比例添加可以有效降低氧化铝陶瓷的烧结温度至1200℃左右。

3.2.3 SiO2/TiO2/CuO助烧体系助烧效果分析

对以SiO2/TiO2/CuO为助烧体系的氧化铝陶瓷XRD图像进行了峰值标注(图8),其中主要标明了对应Al2O3的峰值,还有一部分强度较低的峰,但经过对比都不与SiO2、TiO2或CuO相对应,因此推论SiO2、TiO2和CuO参与了氧化铝陶瓷烧结中的相关反应,并起到了一定的作用。同时根据图9也可以看出陶瓷粉体已经不再是单独的颗粒,而是开始某种方式的结合,这也说明SiO2、TiO2和CuO可以促进较低温度下氧化铝陶瓷的烧结过程。综合上一节中加入SiO2/TiO2/CuO助烧体系的氧化铝陶瓷在1200℃就可以完成烧结的结论,笔者认为SiO2、TiO2和CuO按照表1中的比例添加可以有效降低氧化铝陶瓷的烧结温度至1200℃左右。

由此得出,三种助烧体系都可以将氧化铝陶瓷的烧结温度降低至1200℃左右。再对比图4、图6和图7,可以明显发现图4中Al2O3峰强最高,说明此时其结晶度较高,因此选择SiO2/CuO助烧体系作为之后实验的助烧剂。

3.3气孔率测定

如图10所示,由于烧制成的多孔氧化铝陶瓷的气孔率较大,因此其边缘结构不平整、难以测量,因此使用不同位置多次测量取平均值的方法测量,力求减小人为误差。最后测得图10中陶瓷密度如表2所示(表中AlO-1,AlO-2,AlO-3分别表示图中的a,b,c,其中孔径c>b>a)。

3.4 助烧剂对多孔氧化铝陶瓷的性能影响及分析

未添加助烧剂和添加助烧剂并在1200℃烧结后的多孔氧化铝陶瓷宏观形貌如图11所示,两个成品虽然采用了同样的有机泡沫、浸渍工艺和烧结工艺,但是浸渍效果、成孔情况却有很大的区别。作者认为主要原因是加入助烧剂以后从一定程度上降低了其粘度,所以才会使得添加助烧剂的悬浮液浸渍效果差强人意。但是从孔的形貌方面看,明显添加助烧剂的多孔陶瓷更符合开孔、高气孔率、孔内无残留的要求。因此如何在保证开孔、高气孔率、孔内无残留的要求的前提下,改进浸渍工艺,减少孔壁破裂,是以后低温多孔陶瓷的重要研究方向。

4 结 论

本文以有机泡沫浸渍法制备多孔氧化铝陶瓷为主胶、硅溶胶三种不同的分散剂对于悬浮液稳定性的影响,寻找出了拥有最佳分散效果的单体分散剂,并确定了其最佳添加量。同时,对在氧化铝陶瓷中加入助烧剂以降低其烧结温度的相关工艺也作为辅助实验进行了系统的研究。最后结合两者,进行低温烧结多孔氧化铝陶瓷的实验,并得出以下结论:

(1) 对于以聚丙烯酸铵作为分散剂的悬浮液,当聚丙烯酸铵的含量为Al2O3的1%时,该悬浮液稳定性达到最佳;对于以阿拉伯树胶作为分散剂的悬浮液,当阿拉伯树胶的含量为Al2O3的0.8%时,该悬浮液稳定性达到最佳;对于以硅溶胶作为分散剂的悬浮液,当硅溶胶的含量为Al2O3的14%时,该悬浮液稳定性达到最佳。其中以质量分数为0.8%阿拉伯树胶作为分散剂时,悬浮液稳定性最好。

(2) 对于氧化铝陶瓷而言,SiO2/CuO、TiO2/CuO、SiO2/TiO2/CuO三种助烧体系可将其烧结温度降低至1200℃左右。

(3)利用有机泡沫浸渍工艺制备多孔氧化铝陶瓷,选用气孔率分别为75%、80%、95%的有机泡沫模板和浸渍工艺,成功制得了气孔率分别为65%、72%、93%的多孔氧化铝陶瓷。

参考文献

[1] 李飞舟.有机泡沫浸渍法制备氧化铝多孔陶瓷的研究[D].西安:长安大学, 2011.

[2] 王苏新.多孔陶瓷的制备方法及用途[J].江苏陶瓷,2002,35(4):26~28.

泡沫陶瓷范文第10篇

关键词: 泡沫陶瓷;烧结工艺;保温时间;抗压强度

中图分类号: TQ174.6文献标识码: A

Research in the Sintering Process of Al2O3 Foam Ceramics

CHEN Junchao1, REN Fengzhang2

(1.China 19th Metallurgical Chengdu Construction Co., Ltd., Chengdu 610091, China; 2.School of

Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

Abstract: Sintering process at ambient pressure is made and studied to find out the best sintering temperature for producing finepore Al2O3based foam ceramic filters.The research shows that the optimal sintering temperature is 1 400℃ and the holding time is three hours.Processed under these conditions,the compressive strength of finepore filters of Al2O3based foam ceramics can reach 2.71 MPa.

Key words: foam ceramics;sintering process;holding time;compressive strength

0前言

泡沫陶瓷是一种造型上像泡沫状的多孔陶瓷,它是继普通多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷之后发展起来的第三代多孔陶瓷制品[12].这种高技术陶瓷具有三维连通孔道,同时对其形状、孔尺寸、渗透性、表面积及化学性能,均可进行适度调整变浆及混凝土外加剂的设计研究和生产管理.制品就像是“被钢化了的泡沫塑料”或“被瓷化了的海绵体”[3].作为一种新型的无机非金属过滤材料,泡沫陶瓷具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、再生简单、使用寿命长及过滤吸附性良好等优点,被广泛地应用于冶金、化工、轻工、食品、环保和节能等领域.近年来,泡沫陶瓷的应用又扩展到航空、电子、医用材料及生物化学等领域[4].本文主要研究了烧结温度和保温时间对陶瓷强度的影响,旨在得出合适的烧结工艺.

1试验原料及方法

αAl2O3粉作为主要原料,纯度≥99%(质量分数),平均粒度为40 μm;粘土作为流变剂,磷酸二氢铝和CMC作为粘结剂.此外,采用Cr2O3、SiO2微粉、Fe2O3、CeO2和TiO2微粉作为外加剂,泡沫陶瓷前躯体选用35ppi的聚氨酯泡沫,尺寸为50 mm×50 mm×40 mm.通过有机泡沫浸渍法制备足够的试样备用.采用Shimadzu AGI250KN型精密万能试验机测试泡沫陶瓷成品的抗压强度,用日产JSM5610LV型扫描电镜观察其断口形貌,采用D8 ADVANCE德国布鲁克X射线衍射仪对泡沫陶瓷进行物相分析.

2聚氨酯泡沫热重分析

聚合物受热以后,化学链受到破坏断裂,从而使聚合物发生解聚反应,产生气体、聚合物残渣和碎片.图1为某泡沫厂生产聚氨酯泡沫的TGDSC曲线.由图1可知,聚氨酯泡沫的热分解主要发生在240~440℃之间,在440~500℃和500~600℃之间呈微小失重.失重是由于聚氨酯泡沫塑料燃烧或热分解时逸出二氧化碳、一氧化碳、氰化氢和甲醛等气体.当温度超过700℃以后,重量几乎不再发生变化.由于聚氨酯海绵在分解过程中产生大量气体,气体在溢出过程中对陶瓷坯体产生应力,会造成坯体的破坏,乃至坯体的坍塌.因此,在240~600℃的温度段,应缓慢升温,以保证聚氨酯海绵在分解过程中不导致坯体的破坏,又因为炉子内部温度的不均匀性,所以应在烧结点保温.上海有色金属第34卷

第1期陈军超,等:Al2O3基泡沫陶瓷烧结工艺的研究

图1有机泡沫体的TG/DSC曲线

Fig.1Curves of TG/DSC for polymeric sponge

3烧结工艺的制定

在泡沫陶瓷过滤器的烧成过程中,主要有两个重要阶段,第一阶段是低温阶段即有机物的挥发阶段,第二阶段是高温阶段,即素坯的收缩与强度的形成阶段.

第一阶段的关键是控制有机泡沫挥发阶段的升温制度.由图1可知,聚氨酯泡沫的挥发主要发生在240~600℃之间,所以说在这一阶段应缓慢升温,使有机泡沫体缓慢而充分地挥发排除,并在600℃时保温一段时间,使有机物充分氧化挥发.如果此阶段升温过快,会因有机物剧烈氧化在短时间内产生大量气体,造成坯体开裂和粉化[5],甚至会造成坯体的崩塌.所以,此阶段的升温速度应保持在1℃/min以下.第二阶段高温阶段,也就是烧结期.此阶段可适当地加快升温速率,使制品快速烧结.但升温速率也应适当控制,防止塌陷.根据这些因素,特制定泡沫陶瓷过滤器烧结工艺如图2所示.

图2烧结工艺示意图

Fig.2Sketch map of sintering process

4烧结温度对抗压强度的影响

图3(见下页)为烧结温度对泡沫陶瓷抗压强度的影响.从图3中可以看出,当烧成温度从1300~1400℃时,泡沫陶瓷的抗压强度不断提高,当烧结温度达到1400℃时,抗压强度达到最图3烧结温度对泡沫陶瓷抗压强度的影响

Fig.3Effect of sintering temperature

on the compressive strength

大,为2.71 MPa;当烧结温度大于1400℃时,泡沫陶瓷抗压强度开始下降.这是因为烧结温度太低时坯体不够致密,成瓷率较低;当烧结温度太高时液相量增多,强度下降,严重时泡沫陶瓷出现软化变形,甚至会塌陷.

图4为试样在不同烧结温度下的微观结构.图4(b)与图4(a)相比,晶粒形状相对均匀,晶粒与晶粒之间被一层层玻璃相包裹着,组织结构较图4(a)致密.玻璃相是陶瓷坯体中的一部分物质在高温下形成熔体,冷却过程中原子、离子或分子被“冻结”成非晶态固体.它存在于晶粒与晶粒之间,起着胶黏作用.当存在少量玻璃相时,会产生一定液相,使制品致密度提高,从而提高制品强度.在图4(c)中,几乎看不到细小的晶粒存在,组织中有大量的玻璃相存在.由于玻璃相导热系数λ较晶相低,在温度急剧变化时泡沫陶瓷产生的热应力不能得到及时缓解,对泡沫陶瓷的抗热震性产生不好的影响;另外,过多的玻璃相会破坏制品的结构,减小了制品的致密度,从而导致了抗压强度的下降.

图4泡沫陶瓷的SEM照片

Fig.4SEM photograph of foam ceramic

5保温时间对抗压强度的影响

高温烧结时,为使泡沫陶瓷坯体内部物理化学变化进行得更加完全,促使陶瓷坯体的组织结构趋于均一,尽量减小高温窑炉内部各处的温差,在升温的最后阶段采取高温保温措施是非常重要的.保温时间是指在烧成的最高温度下,制品的焙烧时间.当烧结温度为1400℃时,保温时间对泡沫陶瓷抗压强度的影响如图5所示.从图5中可以看出,随着保温时间的延长,泡沫陶瓷的抗压强度明显增加,当保温时间为3 h时,泡沫陶瓷的抗压强度达到最大,为2.71 MPa.这是因为保温时间不足时,陶瓷坯体尚未完全烧结,组织结构图5保温时间对泡沫陶瓷抗压强度的影响

Fig.5Effect of holding time on the

compressive strength

未足够致密,所以强度较低;当保温时间足够长时,陶瓷坯体得到完全烧结,材料里外的物理化学变化更趋完全,组织结构亦趋于均一,所以陶瓷的抗压强度增加.但之后继续延长坯体的保温时间,强度无明显变化.

6烧结试样的XRD分析

图6为不同烧结温度下试样的XRD图谱.从图6中可以看出,试样主要含有氧化铝和莫来石相,随着试样烧结温度的升高,试样中的莫来石含量增加.试样中出现莫来石,可能是由于原料

图6不同烧结温度下试样的XRD图谱

Fig.6XRD spectra of samples in different

sintering temperatures

中的SiO2和Al2O3会发生反应3Al2O3+2SiO23Al2O3・2SiO2,生成了莫来石.莫来石具有熔点高、高温蠕变率低、热膨胀系数小、抗侵蚀性强以及抗热震性好等良好的高温性能,这样莫来石的出现,在一定程度上提高了氧化铝基泡沫陶瓷过滤器的高温使用性能.

7结论

通过对泡沫陶瓷烧结工艺的研究,制定了合适的烧结工艺制度.烧结温度对泡沫陶瓷的强度影响较大,本试验的最佳烧结温度为1400℃,保温时间为3 h,可得到抗压强度为2.71 MPa的细孔径氧化铝基泡沫陶瓷过滤器.

参考文献:

[1]Casfledine T J.Use of filter materials in gating systems[J].Foundry Trade Journal,1985(6):1521.

[2]Khan P R,Su W M.Flow of ductile iron through ceramic filters and the effects on the dross and fatigue properties[J].AFS Transactions,1987,95:105112.

[3]陆章明,翁通绪,毛伯明,等.泡沫陶瓷的研制与应用[J].有色金属(冶炼部分),1994,6(1):6.

[4]靳洪允.泡沫陶瓷材料的研究进展[J].现代技术陶瓷,2005,25(3):3335.

上一篇:电解锰范文 下一篇:汽车工厂范文