中铝质闭孔泡沫陶瓷砖的制备和性能研究

张小锋 刘维良 佘小曼

（景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，景德镇：333001）

1 引言

自20世纪70年代美国首先研制出泡沫陶瓷以来，泡沫陶瓷得到了人们极大的关注。泡沫陶瓷分为开孔和闭孔。开孔泡沫陶瓷主要应用于高温熔融合金过滤。闭孔泡沫陶瓷主要应用于隔热保温耐火材料和墙体保温材料[1-2]。

制备闭孔泡沫陶瓷的方法主要有两种：一是添加造孔剂，二是添加发泡剂。其中发泡法可以制备出形状复杂的泡沫陶瓷，以满足一些特殊场合的应用需要，主要原理是在陶瓷原料中加入适当的发泡剂，通过化学反应产生气体不逸出从而产生闭孔泡沫[4]。目前常用发泡剂有碳化钙、硫酸钙、石膏等。发泡剂法制备的闭孔泡沫陶瓷气孔率较高，可制备出各种孔径大小和形状的泡沫陶瓷。但是在制备过程中各个工艺参数难以控制，产品一致性较差。

中铝质是指样品中氧化铝含量在75～85％之间。本实验所用的主原料为常用矿物原料或工业纯化工原料，发泡剂为陶瓷工厂用过的废石膏。本实验主要探讨了助烧熔剂和烧成制度等因素对闭孔泡沫陶瓷性能的影响，制备出低成本、高性能的中铝质闭孔泡沫陶瓷砖。

2 实验

2.1 实验原料与测试仪器

实验用主原料为高岭土、工业氧化铝、膨润土、石英、钾长石；发泡剂为陶瓷工厂用过的废石膏，粘结剂PVA（分子量1600）溶液由实验室配制。根据前期的实验结果确定了闭孔泡沫陶瓷的基体配方如表1所示。

表1 泡沫陶瓷主原料配比Tab.1 Proportion of raw material

采用德国Netzsch公司的STA449C型综合热分析对泡沫陶瓷基体配料进行热分析；采用美国麦克公司的Accu-Pyc1330型全自动真密度仪测量泡沫陶瓷样品的真密度；采用阿基米德排水法测量泡沫陶瓷样品的体积密度、气孔率；采用力创公司的微电子万能试验机测试泡沫陶瓷样品的抗压强度；采用日本KYOTO公司的QTM-500型热导率分析仪测量泡沫陶瓷样品的热导率；采用日本电子公司的JSM-6700F型扫描电子显微镜对泡沫陶瓷样品形貌进行观察分析。

2.2 实验过程

本实验发泡剂为陶瓷工厂废弃石膏，外加量为8w t％，因此在实验前首先对废石膏模进行表面清洗、破碎、球磨、烘干、碾磨过80目筛备用。在实验过程中，先按配方配料、球磨、烘干，加入10w t％的PVA溶液（溶度为5％）进行造粒，得到的造粒粉料陈腐2天后进行压样（压力为10～20MPa）和烧成（烧成温度为1300～1400℃，保温时间为60m in）。

3 结果与讨论

3.1 TG/DTA分析

采用TG/DTA研究了泡沫陶瓷材料在升温过程中的变化，如图1所示。在141.3℃时，石膏粉（CaSO4·1/2H2O）吸热失去半个结晶水，出现第一个吸热峰，此过程失重6.42％；在304.2℃时，原料中的吸附水蒸发吸热出现第二个吸热峰，此过程失重12.80％；在511.3℃时，原料中的PVA吸热分解产生另一个吸热峰；在1302.0℃时，硫酸钙吸热分解为氧化钙和三氧化硫，在分解过程中有三氧化硫的部分逸出，此过程失重7.84％。

从图1的热分析变化曲线可以看出：温度在1300～1400℃之间是发泡剂分解的温度段也是玻璃相大量产生的温度段。在升温过程中硫酸钙分解的三氧化硫气体是产生中铝质闭孔泡沫陶瓷的重要组成，因为在高温下，原料中的玻璃质原料软化熔融产生玻璃相，玻璃相物质具有一定的黏度，在此阶段产生的三氧化硫会使玻璃相物质膨胀，当冷却后就会形成闭孔结构[5]。本实验根据热分析结果拟确定烧成温度为1300℃以上，因为在制备闭孔泡沫陶瓷时，发泡剂的分解温度要高于玻璃相产生的温度，如果发泡剂的分解温度低于玻璃相的产生温度，则发泡剂分解的气体就会沿着晶粒间隙逸出，不会出现闭孔泡沫结构。

3.2 钾长石对泡沫陶瓷性能的影响

3.2.1 钾长石含量对泡沫陶瓷气孔率的影响

以钾长石为助烧熔剂，钾长石的含量在17～19w t％之间。钾长石的含量不同，泡沫陶瓷的气孔率（开孔气孔率和闭孔气孔率）也不同，结果如图2所示。随着钾长石含量的增加，闭孔气孔率依次增加，而开孔气孔率却依次降低。钾长石含量的增多，泡沫陶瓷样品的熔融温度降低，生成的玻璃相增加，更多的玻璃相能把更多的三氧化硫气体包裹，使得泡沫陶瓷的闭孔气孔率增加。在玻璃相增多的同时，泡沫陶瓷样品中颗粒之间润湿性较好，样品表面的流动性较好，故样品的开口气孔率降低[5]。本实验为了进一步验证以上结论，对不同钾长石加入量的泡沫陶瓷样品进行体积密度和真密度的测试，如图3所示。随着钾长石含量的增加，真密度和体积密度都降低，这正是由于闭孔气孔率增加，开孔气孔率降低的缘故。

3.2.2 钾长石含量对泡沫陶瓷抗压强度、热导率的影响

随着钾长石含量的增加，泡沫陶瓷的抗压强度依次降低，如图5所示。当钾长石含量增加时，试样在高温时熔融程度增加，封闭的三氧化硫气体增加，导致闭孔减薄，如图4所示。图4（a）是钾长石含量为17w t％时的孔壁SEM照片，此时孔壁较厚，泡沫陶瓷样品抗压强度的测试结果较大；图4（b）是钾长石含量为19w t％时的孔壁SEM照片，此时的孔壁较薄，样品抗压强度的测试结果较小。

钾长石含量的增加，会引起泡沫陶瓷热导率降低，如图5所示。那是因为钾长石含量增加会导致气孔率增加，最终孔壁总表面积增加，而孔壁对热传导有反射作用，样品内更多的孔壁能更有效的阻碍泡沫陶瓷样品的热传导，因此热导率降低[6]。

3.3 烧结温度对泡沫陶瓷性能的影响

3.3.1 烧结温度对泡沫陶瓷气孔率的影响

泡沫陶瓷的烧结温度和保温时间同时影响泡沫陶瓷的气孔率。当保温时间一定时，随着烧成温度的提高，泡沫陶瓷的闭孔气孔率和开孔气孔率都增加。当烧成温度一定时，随着保温时间的增加，闭孔气孔率和开孔气孔率也增加[7-8]。

根据前期的研究结果，确定了泡沫陶瓷的保温时间为60m in，在本实验中仅考虑烧成温度对气孔率的影响。烧结温度与闭孔气孔率、开孔气孔率变化关系如图6所示。当烧成温度在1300℃～1360℃时，闭孔气孔率随着烧成温度的提高而增加，这是由于温度升高时样品内玻璃相增多，包裹的三氧化硫气体增多导致闭孔气孔率增加的缘故；但当烧结温度大于1360℃时，闭孔气孔率却减少，那是因为温度继续升高时，闭孔内气体明显膨胀，部分气体冲破孔壁连成通孔。对于开孔气孔率而言，在烧结温度的提高过程中开孔气孔率一直在增加，当烧成温度超过1360℃时，开口气孔率增加速率更大，那是因为泡沫陶瓷样品闭孔内气体膨胀逸出的原因。

3.3.2 烧结温度对泡沫陶瓷抗压强度、热导率的影响

烧结温度在1300～1400℃时，随着烧成温度的提高，泡沫陶瓷砖的抗压强度降低，如图8所示。

这是由于当温度升高时，样品中的玻璃相增多，粘度降低，泡沫陶瓷内的孔径增大，孔壁减薄，最终导致抗压强度降低。图7（a）中为烧成温度为1360℃时的孔壁厚度，图7（b）为烧成温度1400℃时的孔壁厚度。从图中可以看出，烧结温度高时的孔壁比烧结温度低时的孔壁薄，因此导致泡沫陶瓷抗压强度在高温烧结时比在低温烧结时要小。

随着泡沫陶瓷烧结温度的增加，泡沫陶瓷的热导率降低，如图8所示。这是由于烧结温度的增加，泡沫陶瓷闭孔气孔率增加，样品内更多的闭孔能更有效的阻碍了样品热量的传导，最终导致热导率的降低[9]。

4 结论

（1）以陶瓷工厂废石膏作为中铝质闭孔泡沫陶瓷砖的发泡剂，能够制备出成本低、高性能的闭孔泡沫陶瓷砖。

（2）闭孔泡沫陶瓷砖的闭孔气孔率随着钾长石含量的增加而增加，抗压强度和热导率降低。

（3）闭孔泡沫陶瓷砖的闭孔气孔率随着烧结温度的增加先增加后降低，抗压强度和热导率降低。

1罗民华.多孔陶瓷.北京：中国建材工业出版社，2006，6

2张小锋，于国强等.氧化铝的应用.佛山陶瓷，2010，20（2）：38～43

3 Tatsuhiro Takahashiand Paolo Colombo.SiO2ceram ic foams through melt foam ing of a methylsilicone preceram ic polymer.Journal of PorousMaterials，2003，10：113～121

4翟钢军，任凤章等.高强度泡沫陶瓷制备工艺.中国陶瓷，2008，44（6）：48～51

5华伟刚，催学明.成型压力和烧成温度对利用废渣和尾矿制备闭孔发泡陶瓷的影响.中国陶瓷，2009，45（10）：68～71

6田英良等.生产泡沫玻璃的关键工艺及质量控制.新型建筑材料，2000，（10）：29～31

7孙国梁，石纪均等.石英质高温闭孔泡沫陶瓷的制备.稀有金属材料与工程，2007，36（1）：570～574

8 K.Hensela.M icrodischarges in ceram ic foams and honeycombs.The European Physical JournalD，2009，54：141～148

9池跃章，余爱民等.发泡剂对利用废渣和尾矿制备闭孔发泡陶瓷的影响.新型建筑材料，2008，（7）：80～82