高溫氣體過濾用碳化硅多孔陶瓷的制備與性能

高溫氣體過濾用碳化硅多孔陶瓷的制備與性能

多孔陶瓷廣泛應(yīng)用于高溫氣體的過濾和過濾。在許多多孔陶瓷材料中，碳化硅具有良好的耐高溫性、低熱膨脹系數(shù)和高機(jī)械強(qiáng)度。這是一種適合高溫過濾多孔陶瓷的原料。然而，由于碳硅的共價(jià)格很高，很難通過無壓燃燒。因此，在碳硅陶瓷粉中加入適量的陶瓷漿，以便在低溫下燃燒，這與碳硅粉形成反應(yīng)。這種體積顆粒大、體積固的碳硅多孔陶瓷，只要達(dá)到一定的空氣孔率（例如36%），空氣孔之間的間隙就形成良好的連通性，以提高氣體的過濾速度。因此，提高多孔陶瓷的空氣率對于提高高氣體的過濾速度非常重要。碳化硅多孔陶瓷具有良好的抗彎強(qiáng)度,可以用作非對稱多孔陶瓷過濾管的內(nèi)層支撐體,為非對稱多孔陶瓷過濾管的外層過濾膜提供一個(gè)良好的載體,因此,碳化硅多孔陶瓷支撐體的抗彎強(qiáng)度的大小直接影響著非對稱多孔陶瓷過濾器管的使用壽命,而使用壽命是其最重要的一個(gè)性能指標(biāo).另外,碳化硅多孔陶瓷用于過濾除塵,過濾速度也是其一個(gè)重要性能指標(biāo).而氣孔率是影響碳化硅多孔陶瓷氣體過濾速度的主要因素之一,提高其氣孔率也是非常重要的.但通常情況下,組分一定的多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度隨著其氣孔率的降低而會(huì)按照自然指數(shù)關(guān)系迅速增加,此自然指數(shù)的變量為氣孔率和一個(gè)負(fù)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的乘積,這個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)決定著抗彎強(qiáng)度增加的速度.這是由于隨著氣孔率的下降,多孔陶瓷單位面積斷裂面上的斷裂點(diǎn)總面積快速增加所致.因此,如何制備出同時(shí)具有高抗彎強(qiáng)度和較高氣孔率的多孔陶瓷是一大難題.影響碳化硅多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度和氣孔率的工藝參數(shù)主要有陶瓷粘結(jié)劑含量、碳化硅顆粒粒徑以及燒結(jié)溫度等.本工作研究了陶瓷粘結(jié)劑含量、碳化硅顆粒粒徑及燒結(jié)溫度對碳化硅多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度和氣孔率的影響,探索二者的變化規(guī)律,并從微觀結(jié)構(gòu)角度分析了抗彎強(qiáng)度和氣孔率發(fā)生變化的原因.1實(shí)驗(yàn)方法1.1羧甲基纖維素的制備原料采用工業(yè)用SiC粉、高嶺土、二氧化硅、長石和羧甲基纖維素.陶瓷粘結(jié)劑由高嶺土、長石和二氧化硅組成,將65wt%長石、12wt%高嶺土和23wt%二氧化硅球磨混合,球磨介質(zhì)為無水乙醇,球磨時(shí)間為36h.球磨后陶瓷粘結(jié)劑粉料的平均粒徑為5μm.另外,用去離子水配制2wt%的羧甲基纖維素水溶液.把SiC粉料和羧甲基纖維素溶液按質(zhì)量比10:1的比例混合均勻,然后加入適量的陶瓷粘結(jié)劑攪拌均勻.然后將6%作為造孔劑的石墨(平均粒徑為10μm)與前面制備的含有陶瓷粘結(jié)劑的SiC粉料混合均勻.將此混合好的粉料單向壓成φ50mm的圓片.在空氣氣氛中燒結(jié),升溫速度為5℃/min,保溫時(shí)間為3h,最后隨爐冷卻.總共制備了三組樣品,條件分別如下:1)所用SiC平均粒徑300μm,陶瓷粘結(jié)劑含量分別為10wt%、15wt%、20wt%和25wt%,燒結(jié)溫度1300℃,樣品編號依次為B10,B15,B20,B25;2)所用SiC平均粒徑分別為87、126、239和300μm,陶瓷粘結(jié)劑含量為20wt%,燒結(jié)溫度1300℃,樣品編號依次為P87,P126,P239,P300;1.2抗彎強(qiáng)度測試多孔陶瓷的氣孔率采用阿基米德排水法測定,使用去離子水作為浸泡介質(zhì).將燒結(jié)后的陶瓷圓片切成5條5mm×6mm×36mm的試樣條,測其三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度的平均值,跨距是30mm,加載速度0.5mm/min.用掃描電子顯微鏡(SEM,型號SS-550島津,日本)觀察試樣條抗彎斷裂面的形貌.抗彎強(qiáng)度測試后的多孔陶瓷樣品條的物相組成通過X射線衍射儀(XRD,型號TTRⅢ,理學(xué),日本)測定,該機(jī)器的特點(diǎn)是測試過程中樣品可以保持水平放置不動(dòng).2碳化硅多孔陶瓷的物相圖1給出了高溫?zé)Y(jié)后不同樣品的XRD圖譜.圖1(a)是碳化硅顆粒粒徑為126μm樣品(即圖1(c)中樣品P126)繞其待測平面法線旋轉(zhuǎn)90°前后的XRD圖譜,從圖中可以看出,除了強(qiáng)度很小的SiO2衍射峰外,其余的衍射峰均為SiC的衍射峰.另外,可以看到該樣品旋轉(zhuǎn)前后測得的圖譜中不同角度的衍射峰的衍射強(qiáng)度差異很大,部分衍射峰甚至消失.這可能是由于樣品中碳化硅顆粒粒徑太大導(dǎo)致在X射線掃描過的區(qū)域內(nèi)的碳化硅顆粒數(shù)目不夠多,只有一部分SiC衍射峰被檢測出,并且在樣品旋轉(zhuǎn)前后各衍射峰的強(qiáng)度差異很大.要準(zhǔn)確獲得全部SiC衍射峰,碳化硅樣品的粒徑需要降到2μm左右,因此本實(shí)驗(yàn)條件下只能獲得碳化硅的部分衍射峰.圖1(b)、(c)和(d)給出不同樣品的XRD圖譜.從圖1(a)可知,SiO2衍射峰強(qiáng)度很小,并且其衍射峰與SiC的衍射峰分布在30°的2θ角兩側(cè).所以為了更清楚地觀察SiO2衍射峰的變化,在圖1(b)、(c)和(d)中將二者的衍射峰分開作圖.從圖1(b1~d1)中較高的衍射背底及強(qiáng)度較小的SiO2衍射峰可知,多孔陶瓷中含有玻璃相和少量SiO2,SiO2可能來自高溫下SiC的氧化或所用的原料.玻璃相主要由陶瓷粘結(jié)劑中長石、高嶺土和氧化硅在1300~1400℃高溫熔融形成.圖1(b2~d2)顯示的衍射峰的強(qiáng)度雖然不同但它們都是SiC的衍射峰.由于采用的碳化硅粉是工業(yè)用料,而碳化硅本身又具有多型性,所以這些衍射峰是SiC的幾種多型體衍射峰的疊合,主要含有SiC的Moissanite-2H、3H、4H、6H、51R等多型體.綜上可知,不同條件下制備的多孔陶瓷中其物相都由大量的SiC、玻璃相以及少量的SiO2構(gòu)成,即多孔陶瓷樣品中的物相種類是相同的,因此多孔陶瓷不會(huì)因?yàn)槠浜械奈锵喾N類的不同而導(dǎo)致其強(qiáng)度發(fā)生變化.圖2給出了陶瓷粘結(jié)劑含量對碳化硅多孔陶瓷氣孔率和抗彎強(qiáng)度的影響,從圖可知,隨著粘結(jié)劑含量從10wt%一直到25wt%,碳化硅多孔陶瓷的氣孔率從39.3%一直下降到了33.0%.而隨著陶瓷粘結(jié)劑含量從10wt%增加到25wt%,碳化硅多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度從20.02MPa先增加到27.63MPa,隨著粘結(jié)劑含量繼續(xù)增加到20wt%,其抗彎強(qiáng)度有所下降(25.6MPa),隨著陶瓷粘結(jié)劑含量進(jìn)一步增加到25wt%,抗彎強(qiáng)度又快速增加到32.61MPa.陶瓷粘結(jié)劑含量為15wt%時(shí),碳化硅多孔陶瓷同時(shí)具有較高的氣孔率和抗彎強(qiáng)度.上述抗彎強(qiáng)度與氣孔率的關(guān)系不符合抗彎強(qiáng)度隨氣孔率下降而按自然指數(shù)增加的規(guī)律.這是因?yàn)樵撃Ｐ椭?氣孔率的減小是通過多孔陶瓷燒結(jié)過程中顆粒間通過擴(kuò)散燒結(jié)減小顆粒中心間距離,并相應(yīng)地顆粒間頸部粘接點(diǎn)尺寸增大來共同實(shí)現(xiàn)的;然而,陶瓷粘結(jié)劑含量的增加雖然也可以使顆粒頸部粘接點(diǎn)尺寸增大,但顆粒中心間距離會(huì)增加.圖3給出了不同含量陶瓷粘結(jié)劑的碳化硅多孔陶瓷的抗彎斷口形貌,從圖中可以看出,隨著陶瓷粘結(jié)劑含量增加,陶瓷粘結(jié)劑形成的碳化硅顆粒間的頸部粘結(jié)點(diǎn)不斷增大,導(dǎo)致多孔陶瓷氣孔率下降.而斷裂面上斷裂的粘結(jié)點(diǎn)的數(shù)量和形貌均隨著陶瓷粘結(jié)劑的增加而發(fā)生明顯變化.圖2和3的結(jié)果表明,碳化硅多孔陶瓷在制備過程中添加適量的陶瓷粘結(jié)劑時(shí)可以獲得較高的抗彎強(qiáng)度和氣孔率.圖4給出了碳化硅顆粒粒徑對碳化硅多孔陶瓷氣孔率和抗彎強(qiáng)度的影響,如圖所示,隨著碳化硅顆粒平均粒徑從300μm下降到87μm,碳化硅多孔陶瓷氣孔率從35.5%增加到42.4%,而其抗彎強(qiáng)度則相應(yīng)地由19.92MPa增加到25.18MPa.小粒徑碳化硅顆粒具有更大的比表面積,多孔陶瓷燒結(jié)后會(huì)有更多的陶瓷粘結(jié)劑附著在碳化硅顆粒表面,從而減少了其對多孔陶瓷孔隙的堵塞,因而碳化硅顆粒粒徑小的多孔陶瓷的氣孔率更高.在碳化硅顆粒粒徑不變時(shí),隨著氣孔率的增加,碳化硅多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度應(yīng)該下降.而圖4中的抗彎強(qiáng)度卻隨著氣孔率的增加而增大,這是由于此時(shí)顆粒粒徑比氣孔率對多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度有著更強(qiáng)烈的影響.含有小粒徑碳化硅顆粒的多孔陶瓷中含有更多的陶瓷粘結(jié)劑形成的粘接點(diǎn),在多孔陶瓷的抗彎斷裂過程中會(huì)有更多的粘接點(diǎn)斷裂,因而在含有小粒徑碳化硅顆粒的多孔陶瓷的抗彎斷裂面上,斷裂的粘結(jié)點(diǎn)斷面的總面積占整個(gè)斷裂面面積的比例更高(如圖5所示),所以其抗彎強(qiáng)度更高.圖6顯示的是燒結(jié)溫度對碳化硅多孔陶瓷氣孔率及抗彎強(qiáng)度的影響.圖中顯示,隨著燒結(jié)溫度從1300℃升至1400℃,碳化硅多孔陶瓷的氣孔率直接從38.7%降到35.4%,然而其抗彎強(qiáng)度在1300~1370℃范圍內(nèi)只是略有上升(27.17~27.72MPa),而隨著燒結(jié)溫度進(jìn)一步升到1400℃,其抗彎強(qiáng)度稍有下降(27.72~26.74MPa).燒結(jié)溫度從1300℃升高到1330℃,碳化硅多孔陶瓷的氣孔率下降是由于燒結(jié)溫度的提高使陶瓷粘結(jié)劑熔融形成的液相增多,在陶瓷粘結(jié)劑形成的熔體的表面張力作用下多孔陶瓷體積收縮導(dǎo)致多孔陶瓷氣孔率下降.然而,在1330~1370℃氣孔率的快速下降則歸因于燒結(jié)溫度過高導(dǎo)致陶瓷粘結(jié)劑形成的熔體的粘度下降,部分熔體進(jìn)入碳化硅顆粒構(gòu)成的孔隙中,進(jìn)而導(dǎo)致氣孔率迅速下降.圖7(c)和(d)中白色的塊狀物就是燒結(jié)溫度過高后進(jìn)入多孔陶瓷孔隙的陶瓷粘結(jié)劑熔體塊圖7(a)和(b)中這種白色塊體很少,說明陶瓷粘結(jié)劑主要粘附在碳化硅顆粒表面且分布較均勻.根據(jù)上述結(jié)果可知,燒結(jié)溫度對碳化硅多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度影響較小,卻會(huì)使其氣孔率迅速下降,從而降低其過濾性能,所以燒結(jié)溫度應(yīng)該選在陶瓷粘結(jié)劑熔點(diǎn)(1300℃)附近,不宜過高.3碳化硅多孔陶瓷研究了陶瓷粘結(jié)劑粘接的碳化硅多孔陶瓷的氣孔率和抗彎強(qiáng)度隨陶瓷粘結(jié)劑含量、碳化硅顆粒粒徑和燒結(jié)溫度這三個(gè)因素變化而變化的規(guī)律.XRD結(jié)果顯示,燒結(jié)后的多孔陶瓷的物相組成均為SiC、玻璃相以及少量SiO2,因此不存在物相差異對碳化硅多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度和氣孔率的影響.碳化硅多孔陶瓷隨著陶瓷粘結(jié)劑含量的增加,可以在較高的氣孔率下得