淀粉为造孔剂制备碳化硅多孔陶瓷

2013-03-18郭兴忠郑志荣高黎华

中国陶瓷工业 2013年1期

郭兴忠朱林杨辉郑志荣高黎华

（1.浙江大学材料科学与工程学系，浙江杭州 310027；2.台州东新密封有限公司，浙江台州 317015）

0 引言

多孔陶瓷材料具有十分广泛的应用前景。例如，可以用作熔融金属或热气体的高温过滤器，医学上临床病菌等的微生物过滤，化学反应过程中的过滤膜，催化剂载体等[1-3]。因此，研究开发新型多孔陶瓷材料具有十分重要的现实意义。碳化硅多孔陶瓷是通过在碳化硅陶瓷基体中进行人为可控造孔而成、具有一定孔隙率的新型功能材料，不仅拥有碳化硅本身的高强度、抗腐蚀、抗氧化、抗热震性和耐高温性等物化性能[4,5]，而且还具备低密度、高强度、高孔隙率、高渗透性、比表面积大、良好的隔热性等特点，可广泛用于高温气体净化器、柴油机排放的固体颗粒过滤器、熔融金属过滤器、热交换器、传感器、保温和隔音材料、汽车尾气的催化剂载体等，在现代工业领域具有广阔的应用前景[6,7]。

图1 碳化硅多孔陶瓷的体积密度Fig.1 Bulk density of porous SiC ceramics

目前多孔陶瓷常用的造孔剂分为有机和无机两大类，又根据造孔机理不同分为反应造孔、有机物炭化造孔、聚合物分解造孔等。常用的造孔剂有无机类的加碳造孔，有机物淀粉、纤维素等聚合物造孔[8-10]。其中，淀粉由于其价格低廉，又有相对较好的造孔效果，是多孔陶瓷较佳的造孔剂之一。

本文以微米碳化硅基体，氧化铝和氧化钇为烧结助剂，淀粉为造孔剂，采用无压烧结技术制备碳化硅多孔陶瓷，分析了碳化硅多孔陶瓷的烧结性能和显微结构特征。

1 实验内容

将碳化硅微粉，氧化铝和氧化钇，不同含量的淀粉（0%，1%，3%，5%，10%，15%，20%）和水按一定质量比倒入混料机中，高速搅拌1h，通过喷雾造粒后经过压制成型，在1950℃下烧结1h，烧结成碳化硅多孔陶瓷。

图2 碳化硅多孔陶瓷的弯曲强度Fig.2 Bending strength of porous SiC ceramics

图4 不同造孔剂含量陶瓷XRD图Fig.4 XRD patterns of ceramics with different amounts of pore-forming agent

采用排水法测试多孔陶瓷的密度。采用烧结前后尺寸的变化，计算得到多孔陶瓷的收缩率。采用三点弯曲测试多孔陶瓷的强度。采用扫描电子显微镜(ZEISSULTRO 55)观察碳化硅粉体的形貌。采用理学Rigaku.D/Max-RA 型X 射线衍射仪对合成SiC 粉体试样进行分析，测试条件为：Cu-Kα 射线，工作电压40KV，工作电流80mA，2θ 范围为10～80°，扫描速度为4°/min，步宽为0.02°。

2 结果与分析

2.1 造孔剂含量对多孔陶瓷的烧结性能和力学性能的影响

图1 和图2 是不同淀粉加入量下多孔碳化硅陶瓷的烧结性能和力学性能。从图1 可以看出，碳化硅多孔陶瓷的密度随着淀粉的加入量上升而下降，密度由3.21g/cm3降到2.72g/cm3。这是因为基体中加入淀粉后，在烧结过程中，淀粉高温炭化，形成大量气孔，导致体积密度降低。从图2 中可以看出，随着淀粉加入量的提高，碳化硅多孔陶瓷的强度总体呈现下降的趋势，陶瓷的强度由未加造孔剂的强度223MPa 下降到168MPa。这是因为碳化硅陶瓷中淀粉高温炭化后产生了大量的气孔，从而降低了碳化硅陶瓷的力学性能。

2.2 多孔碳化硅陶瓷的显微结构

图3 是不同淀粉含量下多孔碳化硅陶瓷断面的SEM 照片。从图4 可以看出，随着淀粉含量的增加，多孔碳化硅陶瓷的气孔直径和气孔率都呈现出上升的趋势，孔径由最初的含量1%时的10μm 到含量20%时的20μm 以上。可见，高造孔剂含量时可以产生大的气孔和较高的气孔率。这也是为何碳化硅陶瓷的烧结性能和力学性能随淀粉添加量的增加而提高的根本原因。

2.3 碳化硅多孔陶瓷的物相分析

图4 是不同造孔剂含量下碳化硅多孔陶瓷的XRD 图谱。从图4 中看出，碳化硅多孔陶瓷中的主要物相有6H-SiC、4H-SiC、2H-SiC 等α-SiC 相，也有YAG、Al2O3、SiO2存在，YAG主要是Al2O3和Y2O3在1760℃形成，Al2O3可能是Y2O3发生挥发后形成无法与之形成YAG 而残留下的，而SiO2则是SiC表面发生氧化所致。从不同造孔剂含量下碳化硅多孔陶瓷的不同衍射峰可以看出，多孔碳化硅陶瓷的物相组成基本保持不变，这表明淀粉的加入基本没有影响碳化硅陶瓷的物相组成。