發(fā)泡-注凝成型法制備莫來(lái)石柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷及其高溫力學(xué)和熱學(xué)性能

1、發(fā)泡注凝成型法制備莫來(lái)石柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷及其高溫力學(xué)和熱學(xué)性能多孔陶瓷被廣泛地應(yīng)用于高溫隔熱材料、氣/液過(guò)濾、凈化分離、催化劑載 體、吸聲減震材料、生物植入材料和傳感器材料等。本文先以Al203、SiO2粉或莫來(lái)石 (Al6Si2013)粉為原料，分別以AlF3 3H20 和 TiO2為添加劑，通過(guò)原位反 應(yīng)的方法制備了 Al6Si2013晶須/柱晶；在 對(duì)合成過(guò)程熱力學(xué)分析的基礎(chǔ)上， 研究了反應(yīng)溫度、添加劑種類(lèi)和用量以及反應(yīng) 時(shí)間等對(duì) Al6Si2013晶須/柱晶合成過(guò)程 的影響;依據(jù)密度泛函理論(DFT)計(jì)算的Al6Si2013各晶面對(duì) AlF3 (g) 和SiF4 (g)吸附能的結(jié)果，

2、探討了Al6Si2013晶須/柱晶的生長(zhǎng)機(jī)理;同時(shí)也 對(duì) Al6Si2013晶須/柱晶的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)進(jìn) 行了研究。在此基礎(chǔ)上， 采用發(fā)泡-注凝成型法制備了Al6Si2013 柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷;研究了 Al6Si2013 漿料的穩(wěn)定性、流變性和膠凝性 能，發(fā)泡劑的用量、AlF3 3H2O 和 TiO2用 量以及燒結(jié)溫度、自結(jié)合 Al6Si2013相的 用量對(duì)多孔陶瓷常溫力學(xué)性能的影響， 研究了所制備多孔陶瓷的高溫力學(xué)性能、 抗熱震性能和熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系,并采用ANSYS有限元對(duì)Al6Si2013 多孔陶瓷的高溫隔熱性能進(jìn)行 了預(yù)測(cè)。研究結(jié)果表明:(1)以 Al203和 SiO2 粉為原料，

3、以AlF33H20為添加劑，經(jīng)1673K反應(yīng)5h 所合成 Al6Si2013晶須的平均長(zhǎng)度和長(zhǎng)徑 比最大，分別約為99.0 “ m和54。Al6Si2O13 晶須的生長(zhǎng)過(guò)程是由氣-固 反應(yīng)機(jī)理控制的。密度泛函理論(DFT)計(jì)算結(jié)果表明，Al6Si2O13 各晶面吸附AlF3 (g)和 SiF4 (g)的吸附能大小順序分別為:Eads (001) Eads (111) Eads (210) Eads (120) Eads (110)和Eads(001) Eads(111) Eads(120) Eads(110) Eads(210) ， 吸附于 Al6Si2O13的(001)面上的 AlF3 (g

4、)分子和 SiF4 (g)分子，促使了晶須沿(001) 面生長(zhǎng)。Al6Si2O13 晶須沿長(zhǎng)度和直徑方向的 生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)指數(shù)分別為 3.3 和 7.2。(2)以 Al6Si2O13粉為原料，分別以 AlF3 3H2O 和 TiO2為添加劑，通過(guò)原位反 應(yīng)的方法制備了 Al6Si2O13柱晶。當(dāng) AlF3 3H2O 和 TiO2的用量分別為4wt%和7wt%時(shí)，經(jīng)1873K反應(yīng)5h后所合成Al6Si2013 柱晶的平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)，分別為 22.3m 和 27.5m。 (3)以 Al6Si2013粉 為原料、Isobam 104為分散劑和粘結(jié)劑、十二烷基硫酸三乙醇胺為發(fā)泡劑和羧 甲基纖維素鈉為穩(wěn)泡劑制

5、備了 Al6Si2O13 多孔陶瓷。即使其孔隙率高達(dá)76%時(shí)， 所制備多孔陶瓷的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度仍分別為15.3MPa 和 3.7MPa。推導(dǎo)了孔隙率在 6776.9%之間的 Al6Si2013 多孔陶瓷在不同溫度下的熱導(dǎo) 率計(jì)算模型為(4)分別以 AlF3 3H2O(08wt%)和 Ti02 (09wt%)為添加劑，采 用發(fā)泡-注凝成型法制備了 Al6Si2013柱 晶自增強(qiáng)多孔陶瓷。適量添加劑的加入可以明顯地減小多孔陶瓷的氣孔孔徑及其分布， 并提高了 其抗折強(qiáng)度， 所制備的孔隙率約為 67.0%的Al6Si2013 柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷的常溫抗 折強(qiáng)度可達(dá)13.9MPa,比無(wú)柱晶多孔陶瓷的

6、抗折強(qiáng)度提高了約27%。(5)在 50N-600N-50N的循環(huán)壓應(yīng)力下，隨著溫度的升高,Al6Si2013多孔陶瓷的變形位移量呈先 減小后增大， 最后斷裂的趨勢(shì)。多孔陶瓷的抗折強(qiáng)度隨著溫度的升高， 呈先逐漸增大， 然后又逐漸減小的趨 勢(shì);所制備的 Al6Si2013柱晶自增強(qiáng)多孔 陶瓷的高溫抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)高于無(wú)柱晶多孔陶瓷， 在 1473K 時(shí),Al6Si2013 柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷的抗折 強(qiáng)度約為6.7MPa,比無(wú)柱晶多孔陶瓷的抗折強(qiáng)度（5.9MPa）提高了約13.6%;即使 在 1673K 時(shí),Al6Si2013柱晶自增強(qiáng)多孔陶 瓷的抗折強(qiáng)度仍可達(dá) 2.8MPa。（6）以 Al203和 SiO2為自結(jié)合相粉體，采用發(fā)泡-注凝成型法經(jīng)1873K/2h燒結(jié)后制 備了 自結(jié)合 Al6Si2013多孔陶瓷。AlF3 3H20的引入可在自結(jié)合多孔陶瓷中原位生 成大量的 Al6Si2013柱晶，顯著地提高其 力學(xué)性能。孔隙率為 71.1%的 Al6Si2O