氧化锆泡沫陶瓷过滤板的制备与性能研究

曾小军，刘维良

（景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333001）

氧化锆泡沫陶瓷过滤板的制备与性能研究

曾小军，刘维良

（景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333001）

以氧化锆(ZrO2)粉为主要原料，氧化铝(Al2O3)粉和氧化钇(Y2O3)粉为烧结助剂，采用有机泡沫浸渍工艺制备出高性能氧化锆泡沫陶瓷过滤板。研究了烧成温度和保温时间对样品容重、抗热震性和抗压强度的影响。采用万能试验机、综合热分析仪、X射线衍射仪、扫描电镜等对样品性能进行了表征。实验结果表明，当烧成温度为1580 ℃，保温时间为120 min时，制备的氧化锆泡沫陶瓷过滤板性能最佳，其容重为0．452 g/cm3，抗热震性为12次，抗压强度为1．56 MPa。

氧化锆；泡沫陶瓷；陶瓷过滤板；性能

0 引 言

泡沫陶瓷是三维网状骨架结构，具有开口气孔率高、过滤面积大、过滤效率高、热稳定性好、抗金属液冲击能力强等特点[1]。使其在过滤器[2]、催化剂载体、吸音隔热材料[3]、布气材料、生物材料等方面作用显著，广泛应用于节能、环保、食品、石油、冶炼、制药、生物医学等各种领域[4]。但目前泡沫陶瓷普遍存在强度低、气孔易堵塞等问题。ZrO2具有熔沸点高、硬度大、热导率低、热稳定性好和高温蠕变小等特性[5]。此外，ZrO2的马氏体相变可起到相变增韧、微裂纹增韧和弥散增韧等[6]增韧效果，可极大地提高陶瓷的韧性和强度。将ZrO2材料优良的性能引入泡沫陶瓷，对于提高泡沫陶瓷的韧性和强度意义重大。

1 实 验

1.1 原 料

ZrO2粉、Al2O3粉、Y2O3粉、氢氧化钠(NaOH)和羧甲基纤维素(CMC)均为化学纯；聚乙烯醇(PVA)浓度10%，硅溶胶浓度50%；滑石粉、木质素磺酸钙和膨润土均为工业纯。

1.2 样品制备

浆料按ZrO2∶Al2O3∶Y2O3∶滑石∶硅溶胶∶膨润土∶PVA∶木质素磺酸钙为60∶20∶3．2∶4∶10∶2∶0．5∶0．3的重量配比称量后球磨，球磨后的浆料过250目筛。先用8wt．%的NaOH溶液浸泡聚氨酯泡沫4 h，冲洗后用2wt．%的CMC溶液浸泡聚氨酯泡沫3 h，然后将预处理的聚氨酯泡沫浸渍过筛后的浆料，室温下凉干后90 ℃烘干，最后在高温烧结炉中1540 ℃、1560 ℃、1580 ℃、1600 ℃，保温60 min、90 min、120 min、150 min烧制而成。

1.3 性能测试

采用西安力创仪器有限公司WDW-10型万能试验机测样品抗压强度，并用德国Netzsch公司STA449C型综合热分析仪对样品进行差热分析(DSC)，采用德国Bruker公司D8-Advance型X射线衍射仪(XRD)对样品进行物相分析，采用日本JEOL公司JSM-6700F型扫描电镜(SEM)观察样品的表面孔筋形貌。

2 结果分析与讨论

2.1 DSC差热分析

图1为样品的DSC曲线。从图1可知，在924．3 ℃和1322．4 ℃处有放热峰，在1130．6 ℃和1360．5 ℃处有吸热峰。924．3 ℃处较弱的放热峰是由于烧结体中有少量的亚稳态t-ZrO2转变为稳定态m-ZrO2。由图2的XRD图谱知烧结体中含有大量t-ZrO2相，而m-ZrO2相较少，这表明Y2O3有稳定t-ZrO2的作用。这是由于晶格中Zr4+被掺入的Y3+所取代，氧空位提供了电荷补偿，晶格中原有阳离子被外来阳离子取代之后，会抑制晶格的扭变，起到稳定的作用。1130．6 ℃处明显的吸热峰是由于在此温度下所添加的烧结助剂Al2O3和Y2O3相互作用形成钇铝石榴石低共熔物，加上滑石粉的助溶效果，使烧结体中产生液相；1322．4 ℃处的放热峰是由于烧结体中有固相析出而产生的；1360．5 ℃处较弱的吸热峰是由于烧结体中存在的少量m-ZrO2转变为t-ZrO2导致的。

2.2 XRD物相分析

图1 样品的DSC曲线Fig.1 DSC curve of samples

图2为样品的XRD图谱。从图2可知，样品主要有ZrO2相和Al2O3相，其中ZrO2大部分以t-ZrO2存在，m-ZrO2含量较少。其原因是一定量高弹性模量的Al2O3的添加可以有效地抑制ZrO2晶粒生长，使ZrO2晶粒尺寸小于临界相变颗粒尺寸[7]，从而抑制t-ZrO2转变为m-ZrO2，使大量的亚稳态t-ZrO2存在于基本中。此外，Y2O3具有稳定ZrO2的作用。t-ZrO2和m-ZrO2同时存在，表明微裂纹增韧、相变增韧、弥散增韧等增韧机制都存在，这极大地提高了泡沫陶瓷的韧性和强度。相反，若添加过多的Al2O3会不利于泡沫陶瓷的致密化，抑制ZrO2晶粒生长的作用减弱，导致大量的m-ZrO2相存在，韧性和强度会相应降低。

2.3 形貌结构观察

图3为20 ppi的样品实物照片。从图3可知，烧制的样品规整度较好，气孔相互贯通，结构保留了泡沫的三维网状骨架结构。图3显示大部分泡沫孔筋之间未被浆料堵塞，样品气孔率较高。

图4为样品不同倍数的SEM照片。从图4(a)可知，样品的颗粒孔棱形状较规则，棱角圆滑清晰；孔筋上没有明显的气孔缺陷，表明强度较高。从图4(b)可知，样品孔棱结合比较紧密并大量连成片状的整体，孔棱上含有的气孔较少，且分布比较均匀。

2.4 烧成温度对样品性能的影响

图2 样品的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of samples

图3 样品的实物照片Fig.3 The photo of sample

图4 样品不同倍数的SEM照片Fig.4 The SEM images of samples at different magnifications: (a) ×150; (b) ×2000

图5 为烧成温度与样品容重、抗热震性和抗压强度的关系图。从图5可知，随着烧成温度的提高，样品的容重增大直至饱和，抗热震性提高，抗压强度先增大后减小，烧成温度为1580 ℃时，抗压强度达最大值。其原因是当温度较低时，烧结体大部分是颗粒堆积，气孔率比较大；随着温度的提高，泡沫陶瓷的致密度不断提高，气孔率逐渐降低，使样品的容重增大，抗热震性提高。但此时晶粒发育不完全，晶粒尺寸小于相变临界尺寸，不能发生相变，t-ZrO2含量较低，烧结体的力学性能较差；当温度升高到1580 ℃时，气孔率继续降低，晶粒基本发育完全，t-ZrO2含量增加，抗压强度增大。继续提高温度到1600℃甚至更高时，晶粒不断长大，但此时Y2O3稳定机制[8]开始失效，冷却时m-ZrO2含量增加，泡沫陶瓷孔棱力学性能变弱。同时，晶粒过大，形成了粒径大且多孔结构，在冷却时，晶粒过大的t-ZrO2转变为m-ZrO2，产生微裂纹，使抗压强度减小。

图5 烧成温度与(a)容重、(b)抗热震性和(c)抗压强度的关系图Fig.5 Firing temperature dependence of (a) bulk density, (b) thermal shock resistance and (c) compressive strength

2.5 保温时间对样品性能的影响

图6为保温时间与样品容重、抗热震性和抗压强度的关系图。从图6可知，随着保温时间的延长，样品的容重先增大后减小，抗热震性提高，抗压强度先增大后趋于平衡，保温时间为120 min时，抗压强度达最大值。在高温烧结时，若保温时间足够，熔体液相会在表面张力作用下填充聚氨酯泡沫挥发留下的微细气孔，使气孔率降低，容重增大。同时，样品在烧结过程中将吸收足够的能量，促进样品的烧结致密化，致使容重增大，抗压强度增大，抗热震性提高。但保温时间过长，样品的气泡会聚集并长大，使容重减小。此时致密化过程趋于完全，故抗压强度无明显变化。

图6 保温时间与(a)容重、(b)抗热震性和(c)抗压强度的关系图Fig.6 Holding time dependence of (a) bulk density, (b) thermal shock resistance, and (c) compressive strength

3 结 论

(1)采用有机泡沫浸渍工艺制备出高性能氧化锆泡沫陶瓷过滤板。样品规整度好，气孔相互贯通，结构为三维网状骨架结构。其容重为0．452 g/cm3，抗热震性为12 次，抗压强度为1．56 MPa；

(2)烧成温度为1580 ℃，保温时间为120 min时制备的氧化锆泡沫陶瓷过滤板性能最佳。

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Preparation and Properties of ZrO2Ceramic Foam Filter

ZENG Xiaojun, LIU Weiliang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen, 333001, Jiangxi, China)

ZrO2ceramic foam filter with high properties was prepared by the process of organic foam impregnation. The method employed ZrO2powders as raw material, Al2O3and Y2O3powders as sintering aid. The influence of firing temperature and holding time on bulk density, thermal shock resistance and compressive strength of samples was studied. ZrO2ceramic foam filter was characterized by means of tensile testing machine, integrated thermal analyzers, X-ray diffraction and SEM. The experimental results indicated that the properties of as-prepared samples were best when the firing temperature was 1580 ℃ and the holding time was 120min. Samples were 0.452 g/cm3in bulk density, 12 times in thermal shock resistance and 1.56 MPa in compressive strength.

ZrO2ceramic foam; ceramic filter; properties

TQ174.75

A

1006-2874(2014)03-0005-04

2014-03-12。

2014-03-15。

国家自然科学基金项目(编号：51162015)；江西省研究生创新资金资助项目(编号：YC2013-S251)。

刘维良，男，教授。

Received date: 20140-03-12. Revised date: 2014-03-15.

Correspondent author:LIU Weiliang, male, Professor.

E-mail:jdzweiliang@163.com