凝胶注模-固相反应法制备硼酸铝多孔陶瓷.pdf

为了提高硼酸铝基陶瓷的强度和隔热性能，以 纳米粉和 微粉为主要原料，采用叔丁醇基凝胶注模结合原位固相反应工艺制备硼酸铝多孔陶瓷，研究了 、物质的量比（分别为 、和 ）、热处理温度（分别为 、和 ）对硼酸铝多孔陶瓷性能的影响。结果表明：）由于 在高温下易挥发，过量的 有利于硼酸铝晶须的生成；但过量太多会使生成的硼酸铝晶须过于粗大，导致试样致密度过高。）热处理温度过低，硼酸铝晶须发育较差，试样致密度较低；而热处理温度过高，晶须之间会发生烧结致密化。）当 、物质的量比为 ，热处理温度为 时，硼酸铝晶须长径比较大，并相互交织形成三维网络结构；所得多孔陶瓷具有较小的体积密度（）、较低的热导率（室温下 ）和较高的常温耐压强度（）。关键词：多孔陶瓷；硼酸铝晶须；凝胶注模；固相反应；隔热材料中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：多孔陶瓷应用广泛 ，但难以制备同时具有高孔隙率和高强度的多孔陶瓷。以陶瓷晶须为结构基元，通过特定的成型工艺制备陶瓷晶须基多孔材料，是目前获得轻质高强多孔陶瓷的一个有效方案。在众多陶瓷晶须中，硼酸铝晶须具有优异的耐腐蚀性能以及良好的化学稳定性和力学性能 ，在制备多孔陶瓷方面具有良好的前景。制备硼酸铝晶须多孔陶瓷常用固相反应法 ，即将含硼和铝的前驱体物质经混合、干压成型、高温烧结，使硼源与铝源反应生成相互交织的硼酸铝晶须。但该工艺制备的硼酸铝陶瓷的孔隙率较低，隔热性能有待提高。凝胶注模成型在制备高气孔率和复杂形状多孔陶瓷方面具有独特的优势 。但水基凝胶注模坯体在干燥过程中由于水分的挥发容易导致坯体发生严重变形。叔丁醇的表面张力比水的表面张力小，在以叔丁醇为溶剂的凝胶注模体系中，坯体在干燥过程中则不容易发生变形。在本工作中，以 微粉和 纳米粉为主要原料，采用叔丁醇基凝胶注模结合原位固相反应工艺制备硼酸铝多孔陶瓷，研究了 、物质的量比和热处理温度对多孔陶瓷的物相组成、显微结构、致密度、常温耐压强度和热导率等的影响。试验 原料主要 原 料 有：微 粉，纯 度 （）；纳米粉，纯度 （）。凝胶注模工艺以叔丁醇为溶剂，丙烯酰胺为单体，亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，柠檬酸为分散剂，过硫酸铵为引发剂，四甲基乙二胺为催化剂，其均为分析纯化学试剂。试样制备取 叔丁醇、丙烯酰胺、，亚甲基双丙烯酰胺和 柠檬酸，使用磁力搅拌器搅拌成澄清透明的预混液。由于 在高温烧结过程中容易挥发，配料中需加入过量的，为此设计了（）（）分别为 、和 的 种试验配比，所得试样分别标记为 、和 。采用凝胶注模工艺制备多孔陶瓷时，浆料固相含量是决定多孔陶瓷孔隙率的重要工艺参数。在本研 年 月第 卷 第 期 国家自然科学基金（）。李鑫：男，年生，博士，高级工程师。：通信作者：郭安然，男，年生，博士，副教授。：收稿日期：编辑：黄卫国 耐火材料 ：究中，采用前期研究得出的最佳浆料固相含量 （）。按试验配比称取 纳米粉和 微粉，与预混液一起加入球磨机中，以 的转速球磨 ，制成固相含量为 （）的浆料。向浆料中加入过硫酸铵和四甲基乙二胺，混合均匀后倒入模具中，在鼓风干燥箱中于 保温 ，然后脱模。坯体继续在鼓风干燥箱中于 干燥后，放入箱式电炉中，以 的升温速率分别升温至 、和 保温 ，制得硼酸铝多孔陶瓷。性能表征采用 型 射线衍仪分析试样的物相组成，采用 型热场扫描电镜分析试样断口的显微结构。按 检测试样的室温热导率。利用 型万能试验机，按 检 测 试 样 的 常 温 耐 压 强 度，按 检测试样的体积密度。结果与讨论 物相组成硼酸铝的晶型有 和 。其中，是低温晶型，它在高温下会转变成性能更加优良、结构更加稳定的高温晶型 。不同温度烧后 种试样的 图谱见图 。可以看出：）烧后，种试样的主要物相均为 和 。的 、物质的量比为 。试样 的 、物质的量比为 ，烧后本不该出现 相；出现 相的原因可能是挥发后导致 、物质的量比大于 。）和 烧后，试 样 的 主 要 物 相 为 和 ，而试样 和试样 中只有图 不同温度烧后 种试样的 图谱 。的 、物质的量比为 ，和 烧后试样 中出现 也是因为 挥发后导致 、物质的量比大于 。显微结构 烧后 种试样的 照片见图 ，和 烧后试样 的 照片见图 。从图 可以看出：由于 挥发后含量不足，试样 中的硼酸铝晶须发育较差，试样结构较致密。试样 中的硼酸铝晶须发育较好，晶粒尺寸及其长耐火材料 年第 卷 ：耐火材料 图 烧后 种试样的 照片 图 和 烧后试样 的 照片 径比较大，晶须之间相互搭接形成立体三维网络结构。试样 由于 含量过多，高温时液相过多，生成的硼酸铝晶须的直径过大，长径比过低。对比图 （）和图 中不同温度烧后试样 的 照片可以看出：烧后，由于温度低，晶须发育较差，试样结构也较疏松。烧后，如前所述，硼酸铝晶须之间相互搭接形成立体三维网络结构。烧后，晶须迅速长大，并相互交织形成致密的块体。物理性能 烧后试样的物理性能见表 ，不同温度烧后试样 的物理性能见表 。从表 可以看出：烧后，随着 、物质的量比的减小，试样的体积密度和热导率均呈先减小后增大的变化趋势，并且均在 （）（）时最小，分别为 和 ；而试样的常温耐压强度则逐渐增大。从表 可以看出：随着热处理温度的升高，试样 的体积密度、常温耐压强度和热导率均逐渐增大。试样致密度的变化原因在显微结构部分已经分析。在物相组成差别不大时，试样的热导率与其致密度呈正相关。在物相组成差别不大时，试样的常温耐压强度一般与其致密度呈正相关；但由于试样 中高长径比的硼酸铝晶须相互交织成网络结构对常温耐压强度的正向影响超过了试样致密度较低对常温耐压强度的负向影响，因此其常温耐压强度比试样 的高。表 烧后试样的物理性能 试样编号体积密度（）热导率（）常温耐压强度 表 不同温度烧后试样 的物理性能 热处理温度 体积密度（）热导率（）常温耐压强度 结论（）由于 在高温下易挥发，过量的 有利于硼酸铝晶须的生成；但过量太多会使生成的硼酸铝晶须过于粗大，导致试样致密度过高。（）热处理温度过低，硼酸铝晶须发育较差，试样致密度较低；而热处理温度过高，晶须之间会发生烧第 期李 鑫，等：凝胶注模 固相反应法制备硼酸铝多孔陶瓷 年 月 耐火材料 ：结致密化。（）当 、物质的量比为 ，热处理温度为 时，硼酸铝晶须长径比较大，并相互交织形成三维网络结构；所得多孔陶瓷具有较低的体积密度（）、较低的热导率（）和较高的常温耐压强度（）。参考文献 王露露，马北越，刘春明 堇青石多孔陶瓷制备及其性能优化研究进展 耐火材料，（）：王露露，马北越，刘春明，等 多孔莫来石性能优化的研究进展 耐火材料，（）：?，?，：（），（）：，（）：?，?，（）：?，?，（）：杨卓，罗旭东，李婷，等 凝胶注模法制备 多孔陶瓷工艺的研究 耐火材料，（）：韩磊，李孝建，张海军 发泡 注凝结合催化氮化法制备 多孔陶瓷 耐火材料，（）：李莎莎，李林，敖雯青，等 陶瓷坯体的凝胶注模工艺研究 耐火材料，（）：李莎莎，李林，贺智勇，等 高固含量氧化锆水系料浆的制备 耐火材料，（）：邸利芝，丁春辉，卢丽霞，等 凝胶注模成型制备致密氧化铬耐火材料 耐火材料，（）：，（）：，（，）（，）（），（），（），（），（），（）：；：，耐火材料 年第 卷