(整理)多孔碳化硅陶瓷制备及性能测试袁兴余

北方民族大学材料学院选修实验结题报告书（创新研究型）题目：多孔碳化硅陶瓷制备及性能测试指导教师：韩非姓名：袁兴余学号：20083194起止日期：2011.10.28-2011.12.20北方民族大学材料学院填表日期：2012年03月02日一问题分析众所周知，在全球经济发展的浪潮中，全球工业的飞速发展下，环境与资源是人类遇到的两大难题，节省资源，保护环境的要求越来越高，因此，适应这种形势发展的材料是十分需要的。

而多孔陶瓷正是适应了这种形势发展需要的材料，它能够提高效率、节约能源，尤其在环境保护方面发挥着越来越大的作用。

19世纪末多孔陶瓷开始发展，初期只是用作铀提纯和细菌过滤的材料。

然而随着控制细孔结构的技术不断提高，多孔陶瓷既能够具有陶瓷基体的优良性能，同时还具有更好的气孔率、气孔表面和可调节的气孔形状、孔径及其分布、气孔孔径在三维空间的连通和分布等，以及对应的良好的热、电、光、化学等性能。

多孔陶瓷被广泛应用于化工、环保、能源、冶金、电子、石油、冶炼、纺织、制药、食品机械、水泥等领域并有广阔的发展前景，作为吸声材料、敏感元件和人工骨、齿根等材料，也受到人们越来越多的重视。

现在，多孔陶瓷在烟尘过滤，泥污处理、污水净化、吸声降噪以及对各式各样的污染物的催化净化等领域的应用，也无不说明了多孔陶瓷在环境保护方面的重大意义。

多孔陶瓷的制备技术很重要，其结构和使用性能都受到其制备工艺的控制。

制备多孔陶瓷的方法常用的有挤压成型法、发泡法、造孔剂法、溶胶凝胶法、有机泡沫浸渍法，随着多孔陶瓷研究的逐步深入，越来越多的新方法应用于制备多孔陶瓷中。

新发展的有自蔓延高温合成法、超临界干燥法、原位反应法、相变造孔、阳极氧化法等，这些方法各有优点，适用于不同类型的多孔陶瓷制备，用于不同的场合。

尽管多孔陶瓷制备技术已从初期的摸索逐步进入了应用阶段，但仍有很多问题有待解决：(l)各种制备技术对多孔陶瓷结构的精确控制。

(2)合理协调孔隙度与强度两者之间的关系。

(3)理化性质的表征方法有待进一步的发展完善。

(4)加强学科间的交叉研究是十分必要的。

(5)生产成本的进一步降低。

(6)制造工艺较复杂，难以大规模生产。

本实验主要讨论多孔碳化硅陶瓷的制备及性能的测试，目的是为让大家了解多孔碳化硅陶瓷的基本结构、多孔碳化硅陶瓷制备方法和孔碳化硅陶瓷性能检测方法。

通过对本实验制备的碳化硅多孔陶瓷进行性能检测与研究，为以后制备更加优良的多孔陶瓷提供备选方案，为多孔陶瓷进入工业领域打下基础。

1.多孔陶瓷具有以下特点？答：(1)气孔率高。

多孔陶瓷的重要特征是具有中较多的均匀可控的气孔。

(2)强度高。

多孔陶瓷原材料一般由金属氧化物、二氧化硅、碳化硅等本身具有较高的强度，煅烧后颗粒边界部分发生融化而粘结，形成了具有较高强度的陶瓷。

(3)物理和化学性质稳定。

多孔陶瓷材料可以耐酸、碱腐蚀，也能够承受高温、高压，自身洁净状态好，不会造成二次污染，是一种绿色环保的功能材料。

(4)过滤精度高，再生性能好。

2.碳化硅多孔陶瓷有哪些制备方法和优点？答：A、添加造孔剂法添加造孔剂法是指在原料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后在升温或烧结过程中，使造孔剂燃尽或挥发而在陶瓷体中留下孔隙来制备多孔陶瓷。

其工艺与普通陶瓷工艺相似，关键在于造孔剂种类和用量的选择，以及在基料中的均匀分布性.造孔剂加入的目的在于促使气孔率增加，它必须满足下列要求：在加热过程中易于排除；排除后在基体中无有害残留物；不与基体反应。

通过改变造孔剂的加入量可以调节气孔率。

在基料和造孔剂颗粒尺寸一定的条件下，随造孔剂含量的增加，显气孔率增大，而体积密度与抗压强度则减小。

烧结过程中，一般采用无压氧化环境烧结，为了提高产品的性能，通常加入一定量的铝粉、氧化铝、氧化钇等作为烧结助剂.随烧结温度的升高，烧结体致密性越高，从而使气孔率下降。

添加造孔剂法的优点是采用不同的成型方法可制得形状复杂、气孔结构各异的制品，工艺过程简单，添加剂少，成本较低；缺点是难以制取高气孔率制品，气孔分布均匀性较差，对造孔剂的分散性要求比较高等。

B、发泡法通过向陶瓷组分中添加有机或无机化学物质作为发泡剂，在加热处理时成挥发性气体，产生泡沫，经干燥和烧成后制得碳化硅多孔陶瓷。

在制备过程中，发泡剂选择非常关键，通过调整发泡剂种类及陶瓷料浆中各成分比例，可控制制品的性能。

发泡剂的细度是影响发泡剂与坯料能否充分混合的重要因素之一，发泡剂颗粒度越细，对提高发泡剂在坯料中的分散度越有利，越能保证材料发泡膨胀的均一性。

适宜的烧成技术参数与严格的烧成控制，对发泡陶瓷制品的品质影响较大。

在高温条件下，发泡剂与其它组分共熔，其反应越完全，膨胀发泡效果越显着。

高温保温措施是保证其充分反应的理想手段。

利用发泡工艺可以得到高孔隙率（40%~90%）、高强度的碳化硅多孔陶瓷材料。

孔径尺寸在10Lm~2mm.采用该法更容易制得一定形状、组成和密度的多孔陶瓷，而且还可以制备出小孔径的闭口气孔。

其缺点主要是对原料的要求高，工艺条件不易控制，整个制备工艺过程不能进行精确的量化控制等。

C、颗粒堆积法也称为固态烧结法,其成孔是通过颗粒堆积留下空隙形成气孔。

在骨料中加入相同组分的微细颗粒及一些添加剂,利用微细颗粒易于烧结的特点,在一定温度下将大颗粒连接起来。

由于每一粒骨料仅在几个点上与其他颗粒发生连接,因而形成大量三维贯通孔道。

D、有机泡沫浸渍法该法是用有机泡沫浸渍陶瓷浆料,干燥后在高温下烧掉有机泡沫载体形成孔隙结构而获得多孔陶瓷的一种方法。

其独特之处在于它凭借有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构,将制备好的浆料均匀地涂覆在有机泡沫网状体上,而烧掉有机泡沫后获得的孔隙是网眼型的[21]。

其孔径尺寸主要取决于有机泡沫体的孔径尺寸,与涂覆厚度也有一定的关系。

3.为什么要对坯体压制？答：因为碳化硅陶瓷是要求有一定的的强度，而且涉及固相反应。

必须压制在力的作用下加以压缩（通常为单向加压），坯料内孔隙中的气体部分排出，颗粒位移、逐步靠拢，当受力足够大时颗粒发生变形、碎裂，互相紧密咬合，最终形成截面与模具截面相同、上下两面形状由模具上下压头决定的坯体。

坯体内孔隙尺寸显著变小、孔隙数大大减少，坯体密度显著提高，具有一定的强度。

4.粉料粒度对碳化硅陶瓷有何影响？答：粉料粒度越小又有利于固相反应，粒度太大，压制后陶瓷的素坯强度低，烧结后易破裂，导致陶瓷生产失败；粒度太细，不利于压制成型。

多孔碳化硅陶瓷有多组分配料烧结得出，个组分的粒度对混合有影响，所以各组分的粒度影响着陶瓷质量，尽可能避免单组分物料局部集中，使陶瓷质量下降。

3.造孔剂造孔的特点.答：造孔剂造孔的特点：一是在原料中加入造孔剂可以大大提高气孔率；二是当烧结温度过高时会导致部分气孔封闭或消失，而温度过低则制品强度达不到要求，应用添加造孔剂的方法不仅提高了气孔率而且能够还获得良好的强度；三是通过调节造孔剂的多少以及颗粒的大小、形状以及分布来控制孔的大小、形状及分布，简单易行。

造孔剂的主要功能是增加制品的气孔率。

在加热过程中不与基体反生有害反应，易于排除并无有害残留物是造孔剂必须要满足的要求。

二原理与方法传统多孔陶瓷的制备工艺有有机泡沫浸渍工艺、水热—热静压工艺、添加造孔剂工艺、溶胶—凝胶工艺和发泡工艺等，新发展的制备工艺有自蔓延高温合成法、超临界合成法、升华干燥法、原位反应法、相变造孔、阳极氧化法、腐蚀法、分子键成孔等。

本实验采用添加造孔剂工艺。

造孔剂工艺制备多孔陶瓷的工艺流程与普通的陶瓷工艺流程相似，原料称量、搅拌混合、干燥、研磨、压坯、预烧结和烧结。

碳化硅在高温下，C等释放气体使孔产生。

通过向陶瓷组分中添加有机或无机化学物质作为发泡剂,在加热处理时形成挥发性气体,产生泡沫,经干燥和烧成后制得碳化硅多孔陶瓷。

在制备过程中,发泡剂选择非常关键,通过调整发泡剂种类及陶瓷料浆中各成分比例,可控制制品的性能。

发泡剂的细度是影响发泡剂与坯料能否充分混合的重要因素之一,发泡剂颗粒度越细,对提高发泡剂在坯料中的分散度越有利,越能保证材料发泡膨胀的均一性。

适宜的烧成技术参数与严格的烧成控制,对发泡陶瓷制品的品质影响较大。

在高温条件下,发泡剂与其它组分共熔,其反应越完全,膨胀发泡效果越显著。

高温保温措施是保证其充分反应的理想手段。

利用发泡工艺可以得到高孔隙率(40%~90%)、高强度的碳化硅多孔陶瓷材料。

孔径尺寸在10Lm~2mm。

采用该法更容易制得一定形状、组成和密度的多孔陶瓷,而且还可以制备出小孔径的闭口气孔。

其缺点主要是对原料的要求高,工艺条件不易控制,整个制备工艺过程不能进行精确的量化控制等。

泡沫陶瓷的浆料除具备一般陶瓷的浆料性能外,还需要有尽可能高的固相含量和较好的触变性和流变性。

有机泡沫浸渍浆料后,既要排除多余的浆料,又要保证浆料在网络孔壁上分布均匀,减少堵孔,这是决定和优化最终制品结构均匀性和气孔率以及力学性能的关键环节。

一般采用对辊机辊压处理,另外也有人采用离心挂浆工艺。

与传统辊压工艺相比,采用多次离心挂浆工艺后,改善了多孔结构的均匀性,显著提高了材料强度,为高强度、结构可控网眼多孔陶瓷的制备提供了一条有效途径。

造孔剂又常被称为增孔剂或者成孔剂（porous former）等，是指既能在坯体内占有一定体积烧成、加工后又能够除去，使其占据的体积成为气孔的物质。

如碳粒、碳粉、纤维、木屑等烧成时可以烧去的物质，又如难熔化易溶解的无机盐类也可作为成孔剂，他们能在烧结后的溶剂侵蚀作用下除去。

造孔剂的种类有无机和有机两类。

无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解盐类，以及其他可以分解化合物如Si3N4，或无机碳，如煤粉、碳粉等。

有机造孔剂主要是一些天然纤维、高分子聚合物和有机酸等，如锯末、奈、淀粉及聚乙烯醇、尿素、甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。

造孔剂在比较低的温度下分解或挥发形成孔，部分孔尤其是较小的孔，在基体陶瓷烧结温度下会封闭，因此透过性就降低了。

在制备多孔陶瓷中应用的造孔剂多只以无机或有机造孔剂一种为主，本实验使用无机造孔剂碳粉，改进造孔剂的添加方法研究造孔剂对多孔碳化硅陶瓷性能的影响。

碳粉作为造孔剂时，C在预烧过程中氧化生成CO2，CO2排除时形成气孔。

剩余活性C在高温下氧化生成CO2由基体排出，并且在熔融玻璃相中形成气孔通道，这样就在样品表面形成开孔气孔，根据表面张力及表面能有关理论，这样形成的气孔为圆形，维持了最低的能量状态。

造孔剂法制备多孔陶瓷的关键是造孔剂种类和用量。

其主要工艺流程与普通陶瓷工艺流程相同：配料、混合、干燥、研磨、压坯、预烧结、烧结和性能检测。

三创新工艺或设计该工艺采用有机发泡沫浸渍法与发泡法相结合，电子天平（JJ300型精密电子天平常熟双杰测试仪器厂）配料，行星式球磨机（QM—1SP12 南京大学仪器厂）混合，电热恒温干燥箱（101A-1中国实验仪器总厂）干燥，研磨抛光机（UNIPOL-1502上海泽申机电有限司牧屿分公司）研磨,干压机（50型前川测量仪器制造有限公司）压制成素坯，马弗炉原料浆料（RJ×4—13 北京电炉厂）预烧结，全自动真空烧结炉（SYL —600株洲诺伯特高温设备有限公司）通N 2保护烧结。