試驗(yàn)一多孔陶瓷的制備與加工

1、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)多孔陶瓷的制備學(xué)科部系:材料工程系執(zhí)筆人：劉曙光，張愛(ài)娟，王衛(wèi)偉、李成峰一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解多孔陶瓷的用途2. 掌握多孔陶瓷的制備方法3. 了解多孔陶瓷的制備工藝二、實(shí)驗(yàn)原理多孔陶瓷是一種新型陶瓷材料，也可稱(chēng)為氣孔功能陶瓷，它是一種利用物理外表的新型材料。多孔陶瓷具有如下特點(diǎn)：巨大的氣孔率；巨大的氣孔外表積；可調(diào)節(jié)的氣孔形狀、氣孔孔徑及其分布； 氣孔在三維空間的分布、 連通可調(diào)；具有其它陶瓷基體的性能，并具有 一般陶瓷所沒(méi)有的主要利用與其巨大的比外表積相匹配的優(yōu)良熱、電、磁、光、化學(xué)等功能。實(shí)際上，很早以前人們就使用多孔陶瓷材料，例如，人們使用活性碳吸附水份、吸附有毒氣體，用硅膠來(lái)

2、做枯燥劑， 利用泡沫陶瓷來(lái)做隔熱耐火材料等?，F(xiàn)在，多孔陶瓷尤其是新型多孔陶瓷的應(yīng)用范圍廣多了。1. 多孔陶瓷的種類(lèi)多孔陶瓷的種類(lèi)很多，按所用的骨料可以分為以下六種:序號(hào)名稱(chēng)骨料性能1剛玉質(zhì)材料剛玉耐強(qiáng)酸、耐堿、耐高溫2碳化硅質(zhì)材料碳化硅耐強(qiáng)酸、耐高溫3鋁硅酸鹽材料耐火粘土熟料耐中性、酸性介質(zhì)4石英質(zhì)材料石英砂、河砂耐中性、酸性介質(zhì)5玻璃質(zhì)材料普通石英玻璃、石英玻璃耐中性、酸性介質(zhì)6其他材質(zhì)耐中性、酸性介質(zhì)按孔徑分為以下三種情況:序號(hào)名稱(chēng)孔徑范圍10.1mm以上粗孔制品250nm 20 卩 m介孔材料350nm以下微孔材料2. 多孔陶瓷的制備：陶瓷產(chǎn)品中的孔包括：1封閉氣孔：與外部不相連通的氣孔

3、2開(kāi)口氣孔：與外部相連通的氣孔下面介紹多孔陶瓷中孔的制備方法和制備技術(shù)2.1 孔的形成方法：1添加造成孔劑工藝：陶瓷粗粒粘結(jié)、堆積可形成多孔結(jié)構(gòu)，顆?？空辰Y(jié)劑或自身粘合成型。這種多孔材料的氣孔率一般較低，2030%左右，為了提高氣孔率，可在原料中參加成孔劑 porous former ，即能在坯體內(nèi)占有一定體積，燒成、加工后又能夠除去，使其 占據(jù)的體積成為氣孔的物質(zhì)。如碳粒、碳粉、纖維、木屑等燒成時(shí)可以燒去的物質(zhì)。也有用 難熔化易溶解的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)作為成孔劑，它們能在燒結(jié)后的溶劑侵蝕作用下除去。此外,可以通過(guò)粉體粒度配比和成孔劑等控制孔徑及其它性能。這樣制得的多孔陶瓷氣孔率可達(dá)75%左右，孔徑可在

4、 卩mmm之間。雖然在普通的陶瓷工藝中，采用調(diào)整燒結(jié)溫度和時(shí)間的方 法，可以控制燒結(jié)制品的氣孔率和強(qiáng)度， 但對(duì)于多孔陶瓷， 燒結(jié)溫度太高會(huì)使局部氣孔封閉 或消失，燒結(jié)溫度太低， 那么制品的強(qiáng)度低，無(wú)法兼顧氣孔率和強(qiáng)度，而采用添加成孔劑的方 法那么可以防止這種缺點(diǎn)，使燒結(jié)制品既具有高的氣孔率，又具有很好的強(qiáng)度。2有機(jī)泡沫浸漬工藝：有機(jī)泡沫浸漬法是用有機(jī)泡沫浸漬陶瓷漿料，枯燥后燒掉有 機(jī)泡沫，獲得多孔陶瓷的一種方法。 該法適于制備高氣孔率、 開(kāi)口氣孔的多孔陶瓷。這種方 法制備的泡沫陶瓷是目前最主要的多孔陶瓷之一。3發(fā)泡工藝：可以在制備好的料漿中參加發(fā)泡劑，如碳酸鹽和酸等，發(fā)泡劑通過(guò)化學(xué)反響等能夠產(chǎn)

5、生大量細(xì)小氣泡， 燒結(jié)時(shí)通過(guò)在熔融體內(nèi)產(chǎn)生放氣反響能得到多孔結(jié)構(gòu)，這種發(fā)泡氣體率可達(dá) 95%以上。與泡沫浸漬工藝相比，更容易控制制品的形狀、成分和密度， 并且可制備各種孔徑大小和形狀的多孔陶瓷， 特別適于生產(chǎn)閉氣孔的陶瓷制品， 多年來(lái)一直 引起研究者的濃厚興趣。4 溶膠 -凝膠工藝：主要利用凝膠化過(guò)程中膠體粒子的堆積以及凝膠熱等 處理過(guò)程中留下小氣孔， 形成可控多孔結(jié)構(gòu)。 這種方法大多數(shù)產(chǎn)生納米級(jí)氣孔， 屬于中孔或微孔范圍 內(nèi)，這是前述方法難以做到的，實(shí)際上這是現(xiàn)在最受科學(xué)家重視的一個(gè)領(lǐng)域。溶膠-凝膠法主要用來(lái)制備微孔陶瓷材料，特別是微孔陶瓷薄膜。5利用纖維制得多孔結(jié)構(gòu)：主要利用纖維的紡織特性

6、與纖細(xì)形態(tài)等形成氣孔，形成 的氣孔包括： a 有序編織、排列形成的； b 無(wú)序堆積或填充形成的。通常將纖維隨意堆放，由于纖維的彈性和細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，會(huì)互相架橋形成氣孔率很高的三 維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 將纖維填充在一定形狀的模具內(nèi)， 可形成相對(duì)均勻， 具有一定形狀的氣孔結(jié)構(gòu) , 施以粘結(jié)劑， 高溫?zé)Y(jié)固化就得到了氣孔率很高的多孔陶瓷， 這種孔較大的多孔陶瓷的氣孔 率可達(dá) 80%以上；在有序紡織制備方法中，有一種是將纖維織布或成紙 ,，再將布 或紙折疊成多孔結(jié)構(gòu)，常用來(lái)制備“哈爾克爾 ，這種多孔陶瓷通?？讖捷^大，結(jié)構(gòu)類(lèi)似于前面提 到的以擠壓成型的蜂窩陶瓷；另外是三維編織，這種三維編織為制備氣孔率、孔徑、氣孔排

7、列、形狀高度可控的多孔陶瓷提供了可能。6腐蝕法產(chǎn)生微孔、中孔：例如對(duì)石纖維的活化處理，許多無(wú)機(jī)非金屬半透膜也曾 以這種方法制備。7利用分子鍵構(gòu)成氣孔：如分子篩，這是微孔材料也是中孔材料。象沸石、柱狀磷酸鋅等是這類(lèi)材料。以上簡(jiǎn)述了一些氣孔結(jié)構(gòu)形成過(guò)程。有些材料中需要的不僅僅是一種氣孔，例如作為催化載體材料或吸附劑， 同時(shí)需要大孔和小孔兩種氣孔，小孔提供巨大比外表， 而大孔形成互相連通結(jié)構(gòu)，即控制氣孔分布，這可以通過(guò)使用不同的成孔劑來(lái)實(shí)現(xiàn)；有時(shí)那么需要?dú)饪子幸欢ㄐ螤?，或有可再加工性；而作為流體過(guò)濾器的多孔陶瓷，其氣孔特性要求還應(yīng)根據(jù)流體在多孔體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)根底研究來(lái)決定。這些都是需要針對(duì)具體情況加

8、以特別考慮的。如果多孔陶瓷材料還要具備匹配的其它性能，尤其是骨架性能，那么還需從這種綜合陶 瓷材料的制備考慮。22多孔陶瓷的配方設(shè)計(jì)：1 骨料：骨料為多孔陶瓷的主要原料，在整個(gè)配方中占的70%80%的重量，在坯體 中起到骨架的作用，一般選擇強(qiáng)度高、彈性模量大的材料。2 粘結(jié)劑：一般選用瓷釉、粘土、高嶺土、水玻璃、磷酸鋁、石蠟、PVA、CMC等 其主要作用是使骨料粘結(jié)在一起，以便于成形。3成孔劑：參加可燃盡的物質(zhì)，如木屑、稻殼、煤粒、塑料粉等物質(zhì)在燒成過(guò)程中因?yàn)榘l(fā)生化學(xué)反響或者燃燒揮發(fā)而除去，從而在坯體中留下氣孔。2.3多孔陶瓷的成形方法：成形方法優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)咸用范屈模壓1. 棋4簡(jiǎn)單2. 尺寸臟高乩

9、操作方僮、生嚴(yán)率高I.氣札分布不均勻 ：制品尺寸覺(jué)限制 鑿制品形狀矍限制尺寸不大的管林 片狀塊狀.擠壓1. 能制取綁血怏的件材2. 氣札沿住度方問(wèn)分布均勾 乩生產(chǎn)那島時(shí)續(xù)生產(chǎn)r需參加較茅的増塑刑 泥料制備麻煩.對(duì)區(qū)料的竝膛皚求高材某氣杲蛇戰(zhàn)面TT材.1.軀制取氏術(shù)濰刖特材及活材氛生產(chǎn)那烏吋連續(xù)生產(chǎn)1.制品形伏商單4科粉末唯加工各種厚度時(shí)懵材， 多層過(guò)曄器.等靜壓I氣札分布'均勻1.適于人尺寸制品1 尺寸公贈(zèng)犬:.生產(chǎn)率低犬尺寸骨材歴異形制品15制形狀臭親的制品2.氣札沿氏度方問(wèn)分布均勻L需參加較多的塑牝劑1.制品尺寸大小釀限制各種形狀圮最的小件制品粉嫁燒注1.軀制昭狀臭條的制品1設(shè)備筒

10、單I.生產(chǎn)率低1.區(qū)料受限制復(fù)雜形狀制品.寥層過(guò)濾器.2.4燒成：使用不同的制備方法和制備工藝，就會(huì)有不同的燒成制度，具體應(yīng)該根據(jù)材料的性能 而定。三、實(shí)驗(yàn)儀器：本實(shí)驗(yàn)采用添加成孔劑，采用模壓方法制備毛坯，然后再進(jìn)行燒結(jié)的方法。1. 實(shí)驗(yàn)藥品：高嶺土、長(zhǎng)石、石英、成孔劑泡沫和鋸末2. 實(shí)驗(yàn)儀器：托盤(pán)天平、攪拌機(jī)、烘箱、高溫爐、液體靜力天平四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程：1.配料：用托盤(pán)天平按下表稱(chēng)取總重 750克的原料高嶺土、長(zhǎng)石和石英的總重量，以下含量都 指重量百分比。高嶺土長(zhǎng)石石英泡沫鋸末水50%20%30%0.5%5%30%固體料2. 制備：將稱(chēng)好的原料依次放入攪拌機(jī)中，攪拌均勻后，參加一定量的水，混合。

11、然后取一定量的料用手捏成球，得到毛坯。3. 燒成：1毛坯在空氣中放置 1天，自然枯燥；2 在80C烘箱中預(yù)處理5小時(shí)，然后再升溫到 110C處理10小時(shí)；3枯燥后，放入高溫爐中，按下表的升溫制度進(jìn)行燒結(jié)，即可獲得多孔陶瓷。4將獲得的多孔陶瓷編號(hào)放好，以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)“多孔陶瓷的密度及吸水率的測(cè)定使 用。溫度區(qū)間C室溫4004001100110013001300升溫速率C /h100200300100保溫1小時(shí)4. 多孔陶瓷的密度及吸水率的測(cè)定氣孔率孔隙度通常分為真氣孔率，顯氣孔率和閉口氣孔率。所謂顯氣孔率系指試塊的所有開(kāi)口氣孔的體積與其總體積之比值。閉口氣孔率是指所有閉口氣孔的體積與其總體積之比值

12、。真氣孔率是指試塊中的全部氣孔，即顯氣孔率與閉口氣孔率的總和。吸水率是試塊所有開(kāi)口氣孔所吸收的水的質(zhì)量與其枯燥試塊的質(zhì)量之比值。上述各項(xiàng)皆以百分?jǐn)?shù)表示。體積密度是枯燥試塊的質(zhì)量與其總體積之比，用g/cm3表示。實(shí)驗(yàn)步驟：1刷凈試樣外表灰塵，放入電熱烘箱中于105110C下烘干2小時(shí)或在允許的更高溫度下烘干至恒值，并于枯燥器中自然冷卻至室溫，稱(chēng)量試樣的質(zhì)量m1，精確至0.01g。試樣枯燥至最后兩次稱(chēng)量之差不大于其前一次的0.1%即為恒重。2試樣浸漬：把試樣放入容器內(nèi)，并置于抽真空裝置中，抽真空至剩余壓力小于20mmHg20Torr。試樣在此真空度下保持5min，然后在5min內(nèi)緩慢地注入供試樣吸

13、收的液體工業(yè)用水或工業(yè)純有機(jī)液體，直至試樣完全淹沒(méi)。再保持抽真空5min，停止抽氣，將容器取出在空氣中靜置 30min，使試樣充分飽和。3飽和試樣表觀質(zhì)量測(cè)定：將飽和試樣迅速移至帶溢流管容器的浸液中，當(dāng)浸液完全淹沒(méi)試樣后，將試樣吊在天平的掛鉤上稱(chēng)量，得飽和試樣的表觀質(zhì)量m2,精確至O.OIg。4飽和試樣質(zhì)量測(cè)定：從浸液中取出試樣，用飽和了液體的毛巾，小心地擦去試樣外表多余的液滴但不能把氣孔中的液體吸出。迅速稱(chēng)量飽和試樣在空氣中的質(zhì)量m3,精確至 0.01g。5浸漬液體密度測(cè)定：測(cè)定在實(shí)驗(yàn)溫度下所用的浸漬液體的密度，可采用液體靜力稱(chēng) 量法、液體比重天平法或液體比重計(jì)法，精確至0.001g/cm3

14、。氣孔率、吸水率、體積密度測(cè)定記錄試樣名稱(chēng)測(cè)定日期試樣處理試樣編號(hào)干試樣質(zhì)量m1飽和試樣表觀質(zhì)量m2飽和試樣在空氣中質(zhì)量m3吸水率%顯氣孔率%真氣孔率%閉口氣孔率%體積密 度g/cm3計(jì)算公式：1吸水率按下式計(jì)算：Wa=m3-m/m 1X100%2顯氣孔率按下式計(jì)算：Pa=m3-mi/m3-m2X00%3體積密度按下式計(jì)算：Db=miDi/m3-m24真氣孔率按下式計(jì)算：Pt=D t-D b/D t5閉口氣孔率按下式計(jì)算：P0=Pt-Pa式中 mi 枯燥試樣的質(zhì)量g ；m2飽和試樣的表觀質(zhì)量g; m3飽和試樣在空氣中的質(zhì)量g; Di 實(shí)驗(yàn)溫度下，浸漬液體的密度 g/cm3 ；Dt試樣的真密度g/cm3；五、考前須知：1. 天平的