高温气体过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备与性能

高温气体过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备与性能

多孔陶瓷广泛应用于高温气体的过滤和过滤。在许多多孔陶瓷材料中，碳化硅具有良好的耐高温性、低热膨胀系数和高机械强度。这是一种适合高温过滤多孔陶瓷的原料。然而，由于碳硅的共价格很高，很难通过无压燃烧。因此，在碳硅陶瓷粉中加入适量的陶瓷浆，以便在低温下燃烧，这与碳硅粉形成反应。这种体积颗粒大、体积固的碳硅多孔陶瓷，只要达到一定的空气孔率（例如36%），空气孔之间的间隙就形成良好的连通性，以提高气体的过滤速度。因此，提高多孔陶瓷的空气率对于提高高气体的过滤速度非常重要。碳化硅多孔陶瓷具有良好的抗弯强度,可以用作非对称多孔陶瓷过滤管的内层支撑体,为非对称多孔陶瓷过滤管的外层过滤膜提供一个良好的载体,因此,碳化硅多孔陶瓷支撑体的抗弯强度的大小直接影响着非对称多孔陶瓷过滤器管的使用寿命,而使用寿命是其最重要的一个性能指标.另外,碳化硅多孔陶瓷用于过滤除尘,过滤速度也是其一个重要性能指标.而气孔率是影响碳化硅多孔陶瓷气体过滤速度的主要因素之一,提高其气孔率也是非常重要的.但通常情况下,组分一定的多孔陶瓷的抗弯强度随着其气孔率的降低而会按照自然指数关系迅速增加,此自然指数的变量为气孔率和一个负的经验常数的乘积,这个经验常数决定着抗弯强度增加的速度.这是由于随着气孔率的下降,多孔陶瓷单位面积断裂面上的断裂点总面积快速增加所致.因此,如何制备出同时具有高抗弯强度和较高气孔率的多孔陶瓷是一大难题.影响碳化硅多孔陶瓷抗弯强度和气孔率的工艺参数主要有陶瓷粘结剂含量、碳化硅颗粒粒径以及烧结温度等.本工作研究了陶瓷粘结剂含量、碳化硅颗粒粒径及烧结温度对碳化硅多孔陶瓷抗弯强度和气孔率的影响,探索二者的变化规律,并从微观结构角度分析了抗弯强度和气孔率发生变化的原因.1实验方法1.1羧甲基纤维素的制备原料采用工业用SiC粉、高岭土、二氧化硅、长石和羧甲基纤维素.陶瓷粘结剂由高岭土、长石和二氧化硅组成,将65wt%长石、12wt%高岭土和23wt%二氧化硅球磨混合,球磨介质为无水乙醇,球磨时间为36h.球磨后陶瓷粘结剂粉料的平均粒径为5µm.另外,用去离子水配制2wt%的羧甲基纤维素水溶液.把SiC粉料和羧甲基纤维素溶液按质量比10:1的比例混合均匀,然后加入适量的陶瓷粘结剂搅拌均匀.然后将6%作为造孔剂的石墨(平均粒径为10µm)与前面制备的含有陶瓷粘结剂的SiC粉料混合均匀.将此混合好的粉料单向压成φ50mm的圆片.在空气气氛中烧结,升温速度为5℃/min,保温时间为3h,最后随炉冷却.总共制备了三组样品,条件分别如下:1)所用SiC平均粒径300µm,陶瓷粘结剂含量分别为10wt%、15wt%、20wt%和25wt%,烧结温度1300℃,样品编号依次为B10,B15,B20,B25;2)所用SiC平均粒径分别为87、126、239和300µm,陶瓷粘结剂含量为20wt%,烧结温度1300℃,样品编号依次为P87,P126,P239,P300;1.2抗弯强度测试多孔陶瓷的气孔率采用阿基米德排水法测定,使用去离子水作为浸泡介质.将烧结后的陶瓷圆片切成5条5mm×6mm×36mm的试样条,测其三点抗弯强度的平均值,跨距是30mm,加载速度0.5mm/min.用扫描电子显微镜(SEM,型号SS-550岛津,日本)观察试样条抗弯断裂面的形貌.抗弯强度测试后的多孔陶瓷样品条的物相组成通过X射线衍射仪(XRD,型号TTRⅢ,理学,日本)测定,该机器的特点是测试过程中样品可以保持水平放置不动.2碳化硅多孔陶瓷的物相图1给出了高温烧结后不同样品的XRD图谱.图1(a)是碳化硅颗粒粒径为126µm样品(即图1(c)中样品P126)绕其待测平面法线旋转90°前后的XRD图谱,从图中可以看出,除了强度很小的SiO2衍射峰外,其余的衍射峰均为SiC的衍射峰.另外,可以看到该样品旋转前后测得的图谱中不同角度的衍射峰的衍射强度差异很大,部分衍射峰甚至消失.这可能是由于样品中碳化硅颗粒粒径太大导致在X射线扫描过的区域内的碳化硅颗粒数目不够多,只有一部分SiC衍射峰被检测出,并且在样品旋转前后各衍射峰的强度差异很大.要准确获得全部SiC衍射峰,碳化硅样品的粒径需要降到2µm左右,因此本实验条件下只能获得碳化硅的部分衍射峰.图1(b)、(c)和(d)给出不同样品的XRD图谱.从图1(a)可知,SiO2衍射峰强度很小,并且其衍射峰与SiC的衍射峰分布在30°的2θ角两侧.所以为了更清楚地观察SiO2衍射峰的变化,在图1(b)、(c)和(d)中将二者的衍射峰分开作图.从图1(b1~d1)中较高的衍射背底及强度较小的SiO2衍射峰可知,多孔陶瓷中含有玻璃相和少量SiO2,SiO2可能来自高温下SiC的氧化或所用的原料.玻璃相主要由陶瓷粘结剂中长石、高岭土和氧化硅在1300~1400℃高温熔融形成.图1(b2~d2)显示的衍射峰的强度虽然不同但它们都是SiC的衍射峰.由于采用的碳化硅粉是工业用料,而碳化硅本身又具有多型性,所以这些衍射峰是SiC的几种多型体衍射峰的叠合,主要含有SiC的Moissanite-2H、3H、4H、6H、51R等多型体.综上可知,不同条件下制备的多孔陶瓷中其物相都由大量的SiC、玻璃相以及少量的SiO2构成,即多孔陶瓷样品中的物相种类是相同的,因此多孔陶瓷不会因为其含有的物相种类的不同而导致其强度发生变化.图2给出了陶瓷粘结剂含量对碳化硅多孔陶瓷气孔率和抗弯强度的影响,从图可知,随着粘结剂含量从10wt%一直到25wt%,碳化硅多孔陶瓷的气孔率从39.3%一直下降到了33.0%.而随着陶瓷粘结剂含量从10wt%增加到25wt%,碳化硅多孔陶瓷抗弯强度从20.02MPa先增加到27.63MPa,随着粘结剂含量继续增加到20wt%,其抗弯强度有所下降(25.6MPa),随着陶瓷粘结剂含量进一步增加到25wt%,抗弯强度又快速增加到32.61MPa.陶瓷粘结剂含量为15wt%时,碳化硅多孔陶瓷同时具有较高的气孔率和抗弯强度.上述抗弯强度与气孔率的关系不符合抗弯强度随气孔率下降而按自然指数增加的规律.这是因为该模型中,气孔率的减小是通过多孔陶瓷烧结过程中颗粒间通过扩散烧结减小颗粒中心间距离,并相应地颗粒间颈部粘接点尺寸增大来共同实现的;然而,陶瓷粘结剂含量的增加虽然也可以使颗粒颈部粘接点尺寸增大,但颗粒中心间距离会增加.图3给出了不同含量陶瓷粘结剂的碳化硅多孔陶瓷的抗弯断口形貌,从图中可以看出,随着陶瓷粘结剂含量增加,陶瓷粘结剂形成的碳化硅颗粒间的颈部粘结点不断增大,导致多孔陶瓷气孔率下降.而断裂面上断裂的粘结点的数量和形貌均随着陶瓷粘结剂的增加而发生明显变化.图2和3的结果表明,碳化硅多孔陶瓷在制备过程中添加适量的陶瓷粘结剂时可以获得较高的抗弯强度和气孔率.图4给出了碳化硅颗粒粒径对碳化硅多孔陶瓷气孔率和抗弯强度的影响,如图所示,随着碳化硅颗粒平均粒径从300µm下降到87µm,碳化硅多孔陶瓷气孔率从35.5%增加到42.4%,而其抗弯强度则相应地由19.92MPa增加到25.18MPa.小粒径碳化硅颗粒具有更大的比表面积,多孔陶瓷烧结后会有更多的陶瓷粘结剂附着在碳化硅颗粒表面,从而减少了其对多孔陶瓷孔隙的堵塞,因而碳化硅颗粒粒径小的多孔陶瓷的气孔率更高.在碳化硅颗粒粒径不变时,随着气孔率的增加,碳化硅多孔陶瓷的抗弯强度应该下降.而图4中的抗弯强度却随着气孔率的增加而增大,这是由于此时颗粒粒径比气孔率对多孔陶瓷抗弯强度有着更强烈的影响.含有小粒径碳化硅颗粒的多孔陶瓷中含有更多的陶瓷粘结剂形成的粘接点,在多孔陶瓷的抗弯断裂过程中会有更多的粘接点断裂,因而在含有小粒径碳化硅颗粒的多孔陶瓷的抗弯断裂面上,断裂的粘结点断面的总面积占整个断裂面面积的比例更高(如图5所示),所以其抗弯强度更高.图6显示的是烧结温度对碳化硅多孔陶瓷气孔率及抗弯强度的影响.图中显示,随着烧结温度从1300℃升至1400℃,碳化硅多孔陶瓷的气孔率直接从38.7%降到35.4%,然而其抗弯强度在1300~1370℃范围内只是略有上升(27.17~27.72MPa),而随着烧结温度进一步升到1400℃,其抗弯强度稍有下降(27.72~26.74MPa).烧结温度从1300℃升高到1330℃,碳化硅多孔陶瓷的气孔率下降是由于烧结温度的提高使陶瓷粘结剂熔融形成的液相增多,在陶瓷粘结剂形成的熔体的表面张力作用下多孔陶瓷体积收缩导致多孔陶瓷气孔率下降.然而,在1330~1370℃气孔率的快速下降则归因于烧结温度过高导致陶瓷粘结剂形成的熔体的粘度下降,部分熔体进入碳化硅颗粒构成的孔隙中,进而导致气孔率迅速下降.图7(c)和(d)中白色的块状物就是烧结温度过高后进入多孔陶瓷孔隙的陶瓷粘结剂熔体块图7(a)和(b)中这种白色块体很少,说明陶瓷粘结剂主要粘附在碳化硅颗粒表面且分布较均匀.根据上述结果可知,烧结温度对碳化硅多孔陶瓷抗弯强度影响较小,却会使其气孔率迅速下降,从而降低其过滤性能,所以烧结温度应该选在陶瓷粘结剂熔点(1300℃)附近,不宜过高.3碳化硅多孔陶瓷研究了陶瓷粘结剂粘接的碳化硅多孔陶瓷的气孔率和抗弯强度随陶瓷粘结剂含量、碳化硅颗粒粒径和烧结温度这三个因素变化而变化的规律.XRD结果显示,烧结后的多孔陶瓷的物相组成均为SiC、玻璃相以及少量SiO2,因此不存在物相差异对碳化硅多孔陶瓷抗弯强度和气孔率的影响.碳化硅多孔陶瓷随着陶瓷粘结剂含量的增加,可以在较高的气孔率下得