有机泡沫浸渍法（PSD）及发泡凝胶法（FGC）制备SiC基泡沫陶瓷过滤材料的研究

【摘要】泡沫陶瓷因其开放的三维网络骨架结构,具有气孔率高、孔径分布广、比表面积大、热传导率低、温度适应性好、耐腐蚀、抗氧化等优点,已广泛用于高温金属熔体过滤净化领域。SiC材料具有良好的抗热震性和化学稳定性,使其成为制造黑色合金及有色高温合金过滤器的首选材料。本研究在比较与总结国内外泡沫陶瓷先进研究成果的基础上,采取有机泡沫浸渍工艺(PSD)及发泡凝胶工艺(FGC)法,结合有机泡沫表面处理、烧结制度优化、磷酸铈、氧化钇增韧等手段,实验室制备SiC基泡沫陶瓷,并对制品性能进行了分析研究。1)采用PSD法制备SiC泡沫陶瓷,研究了浆料制备过程中硅溶胶对于浆料流变性能的影响,优化了浆料制备工艺。①固含量为55vo1%的SiC混合浆料,加入硅溶胶后,RSH值均随pH值增加呈降低趋势,硅溶胶含量为8wt%、pH=10.3时,RSH值最低,分散效果最佳。最佳的固液比是55-60vo1%；②球磨时间-粘度曲线表明：高能球磨时间为60-90min,可获得较好的触变性及流动性。2)采用NaOH溶液、CMC、SDS及硅溶胶三种溶液对有机聚氨酯泡沫表面进行处理,改善其表面粗糙度及挂浆性能。①采用15wt%NaOH溶液,60℃下对聚氨酯泡沫水解40min,可在保持聚氨酯泡沫弹性的前提下,有效增加孔筋表面的粗糙度,并有效去除孔筋间膜。②CMC、SDS及硅溶胶的浸泡处理均可有效改善聚氨酯泡沫表面的亲水性,增加其挂浆性能。其中35wt%硅溶胶的改善效果最好,单位重量泡沫挂浆量可达30.7g/g。③对于固含量为60vol%的混合浆料,最佳的排浆挤压比为1/5。3)制定了优化烧结曲线。采用优化曲线,终点温度为1550℃、1650℃、1750℃、1850℃的烧结体的抗弯强度分别达到1.826Mpa、2.434Mpa、3.175Mpa、3.713Mpa,断裂韧性分别达到2.21MPa·m1/2、2.77MPa·m1/2、3.23MPa·m1/2和3.56MPa.m1/2；抗弯强度和断裂韧性的增幅在1550℃C-1650℃温度段均达到最大值。同样的终点烧结温度(1750℃),优化曲线的抗弯强度、断裂韧性分别比工业曲线提高18.8%和42.9%。XRD与SEM分析表明,基体的强化作用主要源自刚玉的致密化团聚、SiO2的充分相变、液相的致密化作用、SiC氧化效应以及莫来石的增强作用。4)采用CeP04作为改性剂,在保证抗弯强度不受较大影响的前提下,提高制品的断裂韧性。①水热合成的无定形产物Ce1-x/3(P04)1-x(HPO4)x.nH2O在温度升高时,经历一系列相变,最终在1200℃后转变为稳定的m-CePO4.②在SiC混合浆料中添加1200℃煅烧CePO4粉体,CePO4添加量一定时,抗弯强度及断裂韧性均随终点烧结温度的提高而提高,其中1300～1400℃温度段增幅最大。而同一烧结温度下,断裂韧性先随CePO4添加量的增加而增大,达到峰值后,又呈下降趋势。③添加110℃CePO4干燥粉体,烧结体抗弯强度及断裂韧性均随终点烧结温度的升高而增加。其中抗弯强度在1200～1400℃区间的强度增幅较大,断裂韧性在1200～1300℃区间的增幅最大。比较同温度下添加1200℃煅烧粉末的烧结体,其抗弯强度及断裂韧性均有所提高,其中1200℃烧结体抗弯强度增幅最大,1500℃增幅最小,即烧结温度越高,强度差别越小；其在1300℃时断裂韧性增幅最大。5)采用FGC工艺制备SiC泡沫陶瓷。研究了木钠分散剂对于”AM-MBAM”氧化还原体系浆料流变性能的影响,以及pH值、引发剂含量、初始温度等对聚合凝胶反应效率的影响,确定了浆料优化成型工艺。①木钠分散剂含量为0.20～0.25wt%时,浆料的粘度及触变性较符合注模要求；对于固含量70vol%的浆料,当pH=11.5、分散剂含量为0.25wt%时,Zeta电位负值达到最大。②强碱环境下,凝胶效率及强度极低；强酸环境下,陶瓷聚合网络恶化,坯体强度降低。当pH值在3～10之间变化时,由于催化滞后所导致的温和凝胶对于坯体均匀成型最为有利。③引发剂过少,自由基数量太少,难以引发大面积凝胶反应,固化时间长,坯体强度低；引发剂含量过高,升温过快,反应时间短,浆料迅速固化,不利于料浆注模,且易破坏泡沫网络结构。④研究了初始温度对于引发剂含量为0.3wt%、pH=8.23的浆料的聚合反应效率的影响；分析了初始温度对引发剂分解率、单体与生长链扩散、笼子效应等因素的影响。结合坯体照片,确定了最佳初始温度。⑤当搅拌速度为35r/s的烧结试样,气孔率达到85.7%的同时,体积密度也较高,满足过滤器要求。6)研究了多种因素对于以氧化钇、刚玉为助烧剂,以明胶为胶凝剂,THAM为分散剂,Tween80为发泡剂的SiC混合浆料的流变性能影响。①有机强碱THAM添加量达到1.52wt%时,其分散、降粘效果达到最佳。刚玉和氧化钇添加可使SiC浆料等电点向碱性方向偏移。②粘度-剪切速率曲线表明：固含量越高,同一剪切速率下粘度越高,浆料流动性越差；而固含量过低时,虽然浆料粘度下降,流动性改善,但泡沫陶瓷孔筋网络强度受到消弱。③明胶含量-浆料粘度曲线表明,明胶含量越高,粘度曲线平滑性越差,流动性越差。④搅拌速度对泡沫陶瓷孔型、孔径分布、气孔率等有显著影响。30r/s、40r/s两种搅拌速率下所得泡沫陶瓷的开口气孔率分别为76%与90%。平均孔径分别为200μm及120μm,孔径分布范围分别为50～800μm和25～400μm。⑤刚玉与氧化钇可促使基体高温相变,产生大量液相和莫来石针状晶体,促进了基体致密化烧结。烧结温度过高时,大量低粘度液相的产生加速了SiC表面氧化和较多难以排出的气体生成,并为粗大柱状晶体长成提供了条件,从而影响基体的力学性能。
【作者】冀树军；
【导师】郭学益；
【作者基本信息】中南大学，材料冶金，2013，博士
【关键词】碳化硅；泡沫陶瓷；过滤材料；有机泡沫浸渍法；发泡凝胶法；

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