碳化硅泡沫陶瓷中烧结助剂对莫来石生成的影响

　第33卷第9期硅酸盐学报Vol.33,No.9　2005年9月J OURNAL OF T H E CHIN ESE CERAMIC SOCIET Y September,2005碳化硅泡沫陶瓷中烧结助剂对莫来石生成的影响

刘　岩,黄政仁,董绍明,江东亮

(中国科学院上海硅酸盐研究所,结构陶瓷工程中心,上海　200050)

摘　要:添加几种烧结助剂如硅溶胶、氧化铝、黏土、苏州土和石英的不同组合,研究了烧结助剂对碳化硅泡沫陶瓷中莫来石相生成的影响。实验结果表明:在1400℃烧结1h的过程中,氧化铝、黏土和硅溶胶的组合会显著促进莫来石的生成,从而提高碳化硅泡沫陶瓷的高温强度和耐火度。莫来石相在较低温度下的大量生成主要归功于黏土产生液相,以及硅溶胶中非晶态氧化硅对氧化铝颗粒的包裹作用,从而降低了扩散距离。

关键词:莫来石;烧结助剂;碳化硅;泡沫陶瓷

中图分类号:TQ174 文献标识码:A 文章编号:04545648(2005)09110505

EFFECT OF SINTERING AIDS ON MU LL IZATION IN SI L ICON CARBIDE CERAMIC FOAMS

L IU Yan,HUA N G Zheng ren,DO N G S haoming,J IA N G Dongliang

(Structural Ceramics Engineering Center of Shanghai Institute of Ceramics,Chinese Academy of

Sciences,Shanghai　200050,China)

Abstract:The effect of sintering aids,such as silica sol,alumina,clay,kaolin and quartz,on mullitization in silicon carbide foam ceramic was investigated.Experimental results show that the combination of silica sol,alumina and clay can obviously promote the creation of mullite phase during sintering at1400℃for1h.A large amount of mullite phase is beneficial to in2 crease the strength of the ceramic at high temperatures and to enhance the ref ractory property of the ceramic.Formation of mullite phase at relative low temperatures is attributed to the liquid phase produced by clay and the package action of amorphous SiO2in silica sol for alumina particles,which can reduce the distance of diffusion.

K ey w ords:mullite;sintering aids;silicon carbide;ceramic foams

碳化硅泡沫陶瓷是近年来发展起来的一种新型材料,既有碳化硅的耐高温、化学稳定性好、导热率高等优点,又有泡沫陶瓷密度小、比表面积大、高透过性特点,广泛应用于熔融金属过滤、催化剂载体,汽车尾气净化等领域。目前工业化生产所制造的碳化硅泡沫陶瓷几乎都是采用1963年Schwar2 tzwalder[1]发明的有机泡沫浸渍法。考虑到湿法成形工艺要求和降低成本的需要,氧化铝和黏土作为烧结助剂被广泛应用在碳化硅泡沫陶瓷的制备工艺中[2]。应用的碳化硅泡沫陶瓷必须具备高的耐火度,因此希望最终的制品中减少烧结助剂反应后所

收稿日期:20050406。修改稿收到日期:20050517。

基金项目:863计划(2001AA333030)资助项目。

第一作者:刘　岩(1975～),男,助理研究员。生成的玻璃相,有效手段是让烧结助剂中的氧化铝和氧化硅尽可能的参与反应生成具有良好高温性能的莫来石相[3]。因此希望通过不同烧结助剂的组合,探讨有利于莫来石生成的最佳组分。

1　实 验

1.1　原 料

实验中所采用的碳化硅粉中位粒径d50=27.92μm,主晶相为αSiC,纯度大于99%;氧化铝采用山东铝业公司的高温烧结微粉,纯度大于99%,主晶相

R eceived d ate:20050406.Approved d ate:20050517.

First author:L IU Yan(1975—),male,assistant researcher.

E m ail:stony2000@

为αAl 2O 3;硅溶胶为上海试剂二厂生产,无定形SiO 2质量含量为26%;石英采用上海凌峰试剂有限

公司生产的分析纯粉体,多晶SiO 2质量含量大于99%;黏土和苏州土主要成分如表1所示,黏土的中位粒径d 50=7.6μm ,产地为浙江临安,苏州土中位粒径d 50=0.54μm ,产地为江苏宜兴。各种粉体粒度分布曲线见图1。

表1　黏土和苏州土主要化学成分

T able 1　Main composition of clay and kaolin

Material Composition in mass/%

Al 2O 3SiO 2MgO Fe 2O 3CaO K 2O P 2O 5SO 3Clay 317.166.0 2.8

4.2 3.8 2.7

0.250.24Kaolin

44.8

54.6

0.1

0.12

0.03

0.27

3Produced in Linan city ,Zhejiang province.

图1　各种原料的粒径分布

Fig.1　Particle diameter distribution of raw materials

1.2　实验方法和分析测试

首先排除碳化硅的影响,将泡沫陶瓷中的烧结助剂、氧化铝和各种黏土经过混和、干燥、过筛、干压制成圆柱形样品,并经过烧结、抛光处理;然后,将确定的最佳烧结助剂组合应用在碳化硅泡沫陶瓷制备中,所有样品的烧结条件为1400℃,保温1h 。用日本Rigaku 公司的RA X 10A 型旋转靶X 射线衍射(X 2ray diff raction ,XRD )仪测试相组成。用Olymp us 5050Zoom 数码相机拍摄样品的照片。用Archimedes 排水法测定样品的开气孔率。按照G B/T7322

1997标准测量样品的耐火度。

2　结果与讨论

2.1　不同烧结助剂组合对莫来石生成的影响

在泡沫陶瓷的制备中,由于成本考虑,通常采用

资源丰富同时价格较低的黏土和氧化铝粉作为烧结助剂,但这也给泡沫陶瓷的性能带来一定的影响,特

别是制品的耐火度。由于黏土在烧结温度下很容易形成玻璃相,而大量的玻璃相的存在会明显的降低泡沫陶瓷的耐火度,因此提高泡沫陶瓷耐火度一个可行的方法是尽量促进烧结助剂中的氧化铝和氧化硅在烧结工艺条件下反应生成莫来石相,从而减少玻璃相的含量。由于在烧结温度下,不同的烧结助剂组合对莫来石的生成具有不同的影响,因此采用氧化铝、黏土、苏州土、石英和硅溶胶作为烧结助剂候选材料,并设计如表2所示的各种组合来摸索最

佳的模式。

表2　样品成分

T able 2　Composition of samples

w /%

Sample Al 2O 3SiO 2sol

Clay Kaolin

Quartz

A 7525

B 7525

C 572815

D 5728

15

E 5715

28F

57

15

28

莫来石晶体是由硅氧四面体和铝氧八面体有规

则地交替连接成双链式的硅铝氧结构团,由六配位的铝离子把一条条双链连接起来一种结构,在高温具有很高强度,而且具有高温强度大于室温强度的特性,因此广泛应用于耐火材料领域。一般莫来石主要是通过氧化硅和氧化铝反应来生成,随着反应物形态的不同,形成莫来石的温度也有很大的区别,从单相凝胶的980℃(原子级混合),到用普通石英

和αAl 2O 3制备时超过1400℃[4]

。研究中尝试用不同氧化硅源与氧化铝粉反应来探索莫来石生成的最佳条件。

图2为各烧结样品的XRD 谱。在以黏土作为氧化硅源的样品A 和样品B 中相组成类似,主要为氧化铝相和少量的莫来石相,含有少量的莫来石相可能主要是黏土和苏州土内部的氧化铝和氧化硅所形成的,因为与外加的氧化铝比较,黏土内部的氧化铝和氧化硅发生接触反应的几率更大一些。在加入硅溶胶作为氧化硅源的样品C 和样品D 中,相组成则发生了很大的变化,样品C 中是以莫来石为主相,加入的氧化铝被大量消耗,只残留少量的氧化铝相,而且硅溶胶中的无定型氧化硅也没有晶化而转变成

・6011・

硅　酸　盐　学　报 2005年