发泡-注凝成型法制备莫来石柱晶自增强多孔陶瓷及其高温力学和热学性能

1、发泡注凝成型法制备莫来石柱晶自增强多孔陶瓷及其高温力学和热学性能多孔陶瓷被广泛地应用于高温隔热材料、气/液过滤、净化分离、催化剂载 体、吸声减震材料、生物植入材料和传感器材料等。本文先以Al203、SiO2粉或莫来石 (Al6Si2013)粉为原料，分别以AlF3 3H20 和 TiO2为添加剂，通过原位反 应的方法制备了 Al6Si2013晶须/柱晶；在 对合成过程热力学分析的基础上， 研究了反应温度、添加剂种类和用量以及反应 时间等对 Al6Si2013晶须/柱晶合成过程 的影响;依据密度泛函理论(DFT)计算的Al6Si2013各晶面对 AlF3 (g) 和SiF4 (g)吸附能的结果，

2、探讨了Al6Si2013晶须/柱晶的生长机理;同时也 对 Al6Si2013晶须/柱晶的生长动力学进 行了研究。在此基础上， 采用发泡-注凝成型法制备了Al6Si2013 柱晶自增强多孔陶瓷;研究了 Al6Si2013 浆料的稳定性、流变性和胶凝性 能，发泡剂的用量、AlF3 3H2O 和 TiO2用 量以及烧结温度、自结合 Al6Si2013相的 用量对多孔陶瓷常温力学性能的影响， 研究了所制备多孔陶瓷的高温力学性能、 抗热震性能和热导率随温度的变化关系,并采用ANSYS有限元对Al6Si2013 多孔陶瓷的高温隔热性能进行 了预测。研究结果表明:(1)以 Al203和 SiO2 粉为原料，

3、以AlF33H20为添加剂，经1673K反应5h 所合成 Al6Si2013晶须的平均长度和长径 比最大，分别约为99.0 “ m和54。Al6Si2O13 晶须的生长过程是由气-固 反应机理控制的。密度泛函理论(DFT)计算结果表明，Al6Si2O13 各晶面吸附AlF3 (g)和 SiF4 (g)的吸附能大小顺序分别为:Eads (001) Eads (111) Eads (210) Eads (120) Eads (110)和Eads(001) Eads(111) Eads(120) Eads(110) Eads(210) ， 吸附于 Al6Si2O13的(001)面上的 AlF3 (g

4、)分子和 SiF4 (g)分子，促使了晶须沿(001) 面生长。Al6Si2O13 晶须沿长度和直径方向的 生长动力学指数分别为 3.3 和 7.2。(2)以 Al6Si2O13粉为原料，分别以 AlF3 3H2O 和 TiO2为添加剂，通过原位反 应的方法制备了 Al6Si2O13柱晶。当 AlF3 3H2O 和 TiO2的用量分别为4wt%和7wt%时，经1873K反应5h后所合成Al6Si2013 柱晶的平均长度最长，分别为 22.3m 和 27.5m。 (3)以 Al6Si2013粉 为原料、Isobam 104为分散剂和粘结剂、十二烷基硫酸三乙醇胺为发泡剂和羧 甲基纤维素钠为稳泡剂制

5、备了 Al6Si2O13 多孔陶瓷。即使其孔隙率高达76%时， 所制备多孔陶瓷的耐压强度和抗折强度仍分别为15.3MPa 和 3.7MPa。推导了孔隙率在 6776.9%之间的 Al6Si2013 多孔陶瓷在不同温度下的热导 率计算模型为(4)分别以 AlF3 3H2O(08wt%)和 Ti02 (09wt%)为添加剂，采 用发泡-注凝成型法制备了 Al6Si2013柱 晶自增强多孔陶瓷。适量添加剂的加入可以明显地减小多孔陶瓷的气孔孔径及其分布， 并提高了 其抗折强度， 所制备的孔隙率约为 67.0%的Al6Si2013 柱晶自增强多孔陶瓷的常温抗 折强度可达13.9MPa,比无柱晶多孔陶瓷的

6、抗折强度提高了约27%。(5)在 50N-600N-50N的循环压应力下，随着温度的升高,Al6Si2013多孔陶瓷的变形位移量呈先 减小后增大， 最后断裂的趋势。多孔陶瓷的抗折强度随着温度的升高， 呈先逐渐增大， 然后又逐渐减小的趋 势;所制备的 Al6Si2013柱晶自增强多孔 陶瓷的高温抗折强度远高于无柱晶多孔陶瓷， 在 1473K 时,Al6Si2013 柱晶自增强多孔陶瓷的抗折 强度约为6.7MPa,比无柱晶多孔陶瓷的抗折强度（5.9MPa）提高了约13.6%;即使 在 1673K 时,Al6Si2013柱晶自增强多孔陶 瓷的抗折强度仍可达 2.8MPa。（6）以 Al203和 SiO2为自结合相粉体，采用发泡-注凝成型法经1873K/2h烧结后制 备了 自结合 Al6Si2013多孔陶瓷。AlF3 3H20的引入可在自结合多孔陶瓷中原位生 成大量的 Al6Si2013柱晶，显著地提高其 力学性能。孔隙率为 71.1%的 Al6Si2O