造孔剂种类及含量对高孔隙率多孔陶瓷性能的影响

陶艳平 ，何方，李颖锐，程娟，赵亚庆

（河南工业大学 材料科学与工程学院，郑州 450001）

1 引言

多孔陶瓷是一种具有较多气孔的新型陶瓷[1]，其内部连续贯通的多孔结构使其具有超高比表面积，并表现出优良的力学、热学、光学、电磁学等物理化学性能[2,3]，在过滤、分离、载体、吸音、保温隔热、生物工程、航空航天等领域[4-7]应用广泛。

孔隙率是多孔陶瓷的一个重要技术指标，它对材料性能有较大影响[8]，通常高孔隙率的多孔陶瓷有更好的过滤和隔热性能。李悦等[9]以粉煤灰和石英砂为主要原料制备过滤用多孔陶瓷，研究表明：随着气孔率的升高，多孔陶瓷渗透率从0.284 cm3·cm·P/cm2·h增大到1.059 cm3· cm·P/cm2·h。徐鲲濠等[5]采用凝胶注模工艺和发泡凝胶工艺制备氧化铝多孔陶瓷，对二者的热学性能检测发现，凝胶注模法制备的氧化铝多孔陶瓷，当气孔率从61.2%升高到72.2%时，则其热导率从1.83 W/(m·K)降低到1.03 W/ (m·K)。而发泡凝胶工艺制备的氧化铝多孔陶瓷，当气孔率从50.8%升高到71.4%时，则其热导率从10.22 W/(m· K)降低到3.06 W/(m·K)。这表明随着气孔率提高，多孔陶瓷的隔热性能显著增强。所以，制备高孔隙率多孔陶瓷有较大的应用价值。但是，在高孔隙率条件下，很难制备出高强度的多孔陶瓷。夏光华等[6]以漂珠为骨料，以小米或聚苯乙烯颗粒、碳粉等为造孔剂，可制得高孔隙率多孔陶瓷滤料。当造孔剂为20%时，显气孔率达到66.43%，但抗压强度仅有3.1 MPa。Qi Wang[10]等采用添加造孔剂法，将草酸铵(AOM)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为造孔剂，制备了不同孔形状和孔隙率的多孔陶瓷，所得多孔陶瓷的孔径在150～250 μm之间，但当孔隙率大于50%时，多孔陶瓷出现破碎现象。因此，如何制备高孔隙率，且有一定强度的多孔陶瓷仍然是目前研究的热点。

本文在优选高孔隙率多孔陶瓷滤料配方的基础上，分别添加碳粉和淀粉两种造孔剂，目的在于制备出具有较高强度的高孔隙率多孔陶瓷。同时，研究了造孔剂的种类和含量对多孔陶瓷气孔率、体积密度和力学性能的影响。

2 实验内容

2.1 实验原料

本实验的原料有：骨料，其主要成份为石英（含硅量99%）、粘土（苏州土）、钾长石（JC/T859-2000），粒度均为320目；造孔剂，其主要成份为碳粉、淀粉，粒度均为300目，造孔剂的种类和含量如表1所示；粘结剂，其主要成份为聚乙烯醇（PVA），8%～10%。

表1 造孔剂种类和含量

2.2 实验配方及工艺流程

（1）实验配方

在大量实验的基础上，优选出高孔隙率多孔陶瓷滤料的配方[11]，其成份及含量为：石英15%、粘土40%、钾长石45%。烧成温度为1275℃。

（2）实验工艺流程

高孔隙率多孔陶瓷的工艺流程如图1所示。

图1 高孔隙率多孔陶瓷制备流程图

1）配料

用型号YP电子天平按照既定比例称取粘土、钾长石、石英制备出多孔陶瓷基体配料。

2）添加造孔剂

按照表1中的造孔剂的种类和比例称取造孔剂。

3）研磨

分别将不同含量造孔剂添加入基体配料，使用研钵研磨60 min，再加入粘结剂。在1～8组中使用注射器外加8%PVA（聚乙烯醇）；在9～16组中加入10%PVA；然后继续研磨30 min使粘结剂混匀。

4）陈腐

将试样装袋陈腐，陈腐时间为24 h。

5）成型

按既定压制密度装模，在Y41-25B液压机上压制成型，成型压力为5 MPa。

6）干燥

将成型后的试样条放入70℃恒温干燥箱中干燥24 h。

7）烧结

碳粉造孔剂在600～800℃燃尽，淀粉造孔剂在250～400℃燃尽。由此确定两种试样的烧成曲线分别如图1、图2。

图1 添加碳粉造孔剂试样的烧成制度曲线

图2 添加淀粉造孔剂试样的烧成制度曲线

3 实验结果分析与讨论

3.1 外观分析

添加不同含量碳粉造孔剂的试样条外观效果如图3所示。添加不同含量淀粉造孔剂的试样条外观效果如图4所示。

图3 添加不同含量碳粉造孔剂的试样条

图4 添加不同含量淀粉造孔剂的试样条

由图3可知，以碳粉为造孔剂制备的多孔陶瓷结构致密，成型性能较好，随着碳粉含量增加，试样开始出现弯曲变形。当碳粉含量增加到35%后，碳粉燃烧产生大量的二氧化碳，聚集在试样周围，形成惰性气氛，阻碍碳粉的进一步燃烧，出现试样条“黑心”情况；当碳粉含量增加到50%以上，陶瓷基体无法完全包裹碳粉，高温下碳粉燃尽，留下大量空洞，产品酥碎，没有强度。

由图4可知，以淀粉为造孔剂制备的多孔陶瓷，淀粉含量小于25%时，表观结构完整。随着淀粉含量增加，试样出现裂纹、开裂等问题。通过分析，开裂原因主要有两个方面：

（1）淀粉粘性较差，与陶瓷基料混合压制成型后，产生肉眼看不见的微裂纹，在多孔陶瓷烧成时扩展成裂纹；

（2）淀粉在高温下发生复杂的物理化学变化，如：糊化吸水膨胀，颗粒解体等，导致淀粉造孔剂的体积变化，从而增加多孔陶瓷内部缺陷，产生裂纹。

3.2 气孔率和体积密度

用煮沸法测量气孔率和体积密度。

需要注意的是：第15组、16组烧成后，样条酥碎，变形严重，轻轻触碰即碎裂，强度极低，无法对其孔隙率、体积密度和抗弯强度进行测试。因此，不予表征。

不同造孔剂含量和气孔率关系如图5所示。不同造孔剂含量和体积密度关系如图6所示。

图5 不同造孔剂含量和气孔率关系图

图6 不同造孔剂含量和体积密度关系图

由图5、图6可见，随着造孔剂含量增加，多孔陶瓷气孔率均呈增长趋势，体积密度相应降低。当造孔剂含量相同时，以淀粉为造孔剂制备的多孔陶瓷孔隙率大于以碳粉为造孔剂的多孔陶瓷气孔率。碳粉由于烧结过程中不能充分燃尽，且燃烧后有部分封闭气孔，故使用煮沸法测量的气孔率比理论气孔率偏低。结果显示：当碳粉含量为35%时，气孔率达26%、体积密度为1.77 g·cm-3。而淀粉造孔剂多孔陶瓷燃烧过程中会有部分体积收缩，且淀粉易吸水膨胀，燃烧后淀粉颗粒分解产生大量孔洞，故实际气孔率高于理论气孔率。当淀粉含量为25%时，气孔率可达33%、体积密度为1.7 g·cm-3。

3.3 抗弯强度

使用多功能试验机测试试样的抗弯强度，不同含量碳粉和淀粉的抗弯强度如图7所示。

由图7可知，当造孔剂含量相同时，碳粉造孔剂多孔陶瓷的强度均高于淀粉造孔剂多孔陶瓷。这主要是因为淀粉造孔剂粘性差，与陶瓷基体结合性也差，烧成后产生气孔率高，所以其致密性低于碳粉造孔剂多孔陶瓷。该体系中淀粉造孔剂的添加范围明显窄于碳粉造孔剂，当淀粉造孔剂的加入量到达40%时，强度仅为1.18 MPa。因此，在实际使用时，要严格控制淀粉造孔剂的加入量。

图7 不同造孔剂含量与抗弯强度关系图

4 结论

（1）当碳粉和淀粉造孔剂含量分别小于35%和25%时，多孔陶瓷试样能保持完整形态。随着造孔剂含量增加，碳粉试样出现“黑心”，无法成型，淀粉试样出现开裂、裂纹等缺陷。

（2）随着两种造孔剂含量的增加，多孔陶瓷气孔率均呈增长趋势，体积密度和抗弯强度下降，该体系中淀粉的造孔效果较好。当淀粉造孔剂的加入量到达25%时，孔隙率最高可达33%、体积密度为1.7g/cm3。

（3）当造孔剂含量相同时，碳粉多孔陶瓷的强度均高于淀粉多孔陶瓷。另外，淀粉造孔剂的添加范围窄于碳粉造孔剂，在实际应用中应严格控制用量。

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