《武汉工程大学学报》 2008年03期
69-71
出版日期：2008-03-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
利用不同成孔剂制备堇青石质多孔陶瓷
0引言多孔陶瓷是一种经高温烧成、体内具有大量彼此相通或闭合气孔结构的陶瓷材料，是具有低密度、高渗透率、抗腐蚀、耐高温、良好隔热性能、寿命长和易于再生等优点的新型功能材料\[1\].多孔陶瓷已被广泛应用于冶金、石油、化工、食品、纺织、环保、能源、生物工程和医学等领域.利用多孔陶瓷比表面积大的特性，可制成各种多孔电极、催化剂载体、离子交换器、热交换器、气体传感器等；利用多孔陶瓷吸收能量的性能，可制成各种吸音材料、减震材料等；利用多孔陶瓷的低密度、低热传导率，可制成各种保温材料、轻质结构材料等；利用多孔陶瓷的均匀透过性，可制成各种过滤器、分离装置、流体分布元件、混合元件、渗出元件、节流元件等.因此，多孔材料引起了材料科学工作者的极大兴趣并在世界范围内掀起了研究热潮\[2～7\].制备多孔陶瓷有添加成孔剂方法、有机前驱体浸渍法、发泡反应法等多种方法，其中利用添加造孔剂方法制备的多孔陶瓷的结构及理化性能因成孔剂的种类而异.本研究分别用煤粉和淀粉作为成孔剂制备多孔陶瓷样品，并对两种样品的相关性能进行比较分析，提供了有效的选择成孔剂的途径.1实验用化学组成如表1所示的高岭土、滑石和工业氧化铝为主要原料，分别以煤粉和淀粉作为成孔剂，按照图1所示流程制备多孔陶瓷样品.将制备样品用X射线衍射方法分析其物相组成，测试条件：CuKα辐射，30 kV，30 mA，扫描速度4(°)/min；用JSM5510LV扫描电子显微镜观察其显微结构；用三点弯曲法测定样品的抗折强度，用煮沸法测定试样的开口气孔率.
表1原料的化学组成
Table 1Chemical compositions of raw materialsw/%
原料SiO2Al2O3Fe2O3TiO2MgOCaOK2ONa2OI.L滑石66.640.450.102.2231.101.670.891.297.44高岭土48.0036.611.080.350.321.200.1512.79工业氧化铝-98.60------1.4配料湿法球磨干燥陈腐
成孔剂造粒陈腐混
匀压制
成型干燥烧成
（1 200℃,1 h）样品
图1多孔陶瓷制备工艺流程
Fig.1The process of porous ceramics2结果及讨论2.1物相成分从样品的XRD图谱可知(图2)，所有样品的主要晶相均为堇青石，少量α-Al2O3，试样杂质含量较少.表明1 200℃下保温1 h即可形成堇青石陶瓷，成孔剂种类和含量对陶瓷主晶相的形成没有明显影响.图2样品的XRD图谱
Fig.2XRD patterns of the samples2.2显微结构分析图3是所制备多孔陶瓷横断面的SEM照片，图3a的成孔剂是淀粉，图3b的成孔剂是煤粉，两个样品的成孔剂含量一致.照片放大500倍，其右上角为照片局部进一步放大到2 000倍的照片.从图3a可以看出，以淀粉为成孔剂制备的多孔陶瓷(图3a)，其孔隙分布均匀，尺寸均匀分布、细密，形状相对规则，为三维连通，珊瑚状，孔与孔之间的连通较好.图3b则表明，以煤粉为成孔剂的陶瓷其孔隙分布基本均匀，尺寸大小不一普遍大于淀粉形成的孔隙，数量较少，形状不规则，彼此之间连通差.进一步放大观察可以看到，在大孔内部存在直径不到1 μm的微孔，它们可能是煤粒加热过程中产生气体的通道，也可能就构成了大孔之间的连接通道.孔隙分布均匀说明制备工艺中混料均匀，没有形成物料偏聚.而两种成孔剂所形成孔隙存在明显差异，其原因可能与造孔剂的粒度有关.煤粉为工业煤块经球磨而成，未作分级，淀粉为市售化学纯，显然后者粒度较细，也较为均匀.在同等添加量(质量百分比)时，淀粉的体积百分数大于煤粉，因此形成的孔密而细.
图3样品断面的SEM照片(a 淀粉为成孔剂；b 煤粉为成孔剂)
Fig.3SEM micrographs of fractured surface of the samples (a. starch was used as the poreforming agent; b. coal powder was used as the poreforming agent)
第3期张芳，等：利用不同成孔剂制备堇青石质多孔陶瓷
武汉工程大学学报第30卷
图4是成孔剂添加量和陶瓷显气孔率之间的关系曲线.可以看出在成孔剂含量相同时，淀粉的显气孔率高于煤粉.决定显气孔率的因素之一是孔隙连通程度，孔隙之间连通程度越高，与外界相通的孔隙就越多，显气孔率也就越大.前已述及，以淀粉为成孔剂生成的孔隙连通性较好，所以会有较高的显气孔率.但从显微结构看，煤粉生成的孔隙以大孔为主，彼此间连通性不好，按理应该只有很低的显气孔率.实测结果虽然低于淀粉，但也仅仅是略低，平均约低3.46%.从图中可见，这些大孔本身是三维连通的，并不是闭合气孔，故其显气孔率并不是太低.另外，从图4还可看到无论成孔剂种类如何，随其含量增多显气孔率都线性增大，将试验数据作线性回归分析得到方程如下：
煤粉：P煤粉=0.870×C煤粉+13.516 R=0.99(1)淀粉：P淀粉=0.952×C淀粉+14.743 R=0.97(2)式（1）、（2）中：P为显气孔率，%；C为成孔剂在陶瓷配方中的质量分数，%；R为线性相关系数.从式(1)、(2)可以看出，显气孔率和成孔剂含量之间存在很好的线性关系，而且直线斜率基本一致，与成孔剂种类无关.图4成孔剂含量与显气孔率的关系
Fig.4The relation of the content of pore forming materials and opening porosity2.3抗折强度分析图5是多孔陶瓷样品抗折强度σ测试结果与样品显气孔率P之间的关系曲线.在试验范围内下，以煤粉作为成孔剂的样品其抗折强度大于淀粉的，这与不同成孔剂所形成孔隙的结构特征不同有关，也与煤粉和淀粉的化学组成有关.淀粉形成的孔隙细密均匀，连通性好.而煤粉形成图5显气孔率与抗折强度的关系曲线
Fig.5The relation curve between opening porosity and bending strength的孔隙大、稀疏，连通性不好.因此在气孔率相同的条件下，前者的孔隙截面积高于后者，有效承载面积低于后者，物相分析又表明两种陶瓷的组成一样，所以前者的强度低于后者.研究表明\[7\]，多孔陶瓷强度σ随气孔率P增大指数降低，存在如下形式的经验公式：
σ=σ0e-np0(3)式（3）中：σ为多孔陶瓷试样抗折强度，MPa；σ0为致密试样抗折强度，MPa；p0为气孔的体积分数，取值3%~60%；n为经验系数，取值4~7.将两种成孔剂所制备陶瓷抗折强度σ与显气孔率P的测试数据进行数字拟合，结果如下：煤粉：σ煤粉+37.727=81.561e（0.587-0.023P煤粉）R=0.975χ2=21.915(4)淀粉：σ煤粉-7.023=26.418e（5.576-0.188P淀粉）
R=0.998χ2=1.942(5)式（4）、（5）中：σ为抗折强度，MPa；P为显气孔率，%；R为相关系数；χ2为拟合截断误差.从拟合结果看，抗折强度与显气孔率之间符合指数衰减关系.其中淀粉的拟合误差很小，相关系数更高.而煤粉拟合误差较大，单从曲线形态看更符合线性关系.从拟合表达式的形式看，(4)、(5)式都与经验公式的形式不符，其原因可能是本文仅仅测试了显气孔率，而不包括闭孔的气孔率.在拟合的两个公式中，淀粉的拟合公式与经验公式更接近，说明它生成的气孔中开孔占主导地位，因而显气孔率与试样气孔率接近，这与显微观察结果一致.另外，系数n的取值与经验取值范围相差较远，其原因有待进一步探讨.3结语a. 以高岭土、滑石和工业氧化铝为原料，分别以煤粉和淀粉为成孔剂，采用压制成型的方法，1 200℃保温1 h均可以合成性能优良的堇青石多孔陶瓷.b. 成孔剂含量增加多孔陶瓷气孔率线性增加.c. 用淀粉作为成孔剂所制备的多孔陶瓷，孔隙细密均匀、连通性好，但是抗折强度低于煤粉的.d. 所制备多孔陶瓷的抗折强度与其显气孔率之间为指数衰减关系.