發(fā)泡—注凝成型法制備莫來石柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷及其高溫力學(xué)和熱學(xué)性能

1、發(fā)泡注凝成型法制備莫來石柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷及其高溫力學(xué)和熱學(xué)性能 多孔陶瓷被廣泛地應(yīng)用于高溫隔熱材料、氣 / 液過濾、凈化分離、催化劑載 體、吸聲減震材料、生物植入材料和傳感器材料等。本文先以AI<sub>2v/sub>O<sub>3v/sub>、SiO₂粉或莫來石 (Al₆Si₂O₁₃) 粉為原料 , 分別以AIF₃ 3H<

2、sub>2</sub>O和 TiO₂為添加劑，通過原位反 應(yīng)的方法制備了 AI<sub>6v/sub>Sivsub>2v/sub>O<sub>13v/sub> 晶須/ 柱晶；在 對合成過程熱力學(xué)分析的基礎(chǔ)上 , 研究了反應(yīng)溫度、添加劑種類和用量以及反應(yīng) 時間等對 AI<sub>6v/sub>Sivsub>2v/sub>O<sub>13v/sub> 晶須/ 柱晶合成過程 的影響；依據(jù)密度泛函理論(DFT計算的AI<sub>6&

3、lt;/sub>Si₂O₁₃ 各晶面對 AIF₃(g) 和SiF₄ (g)吸附能的結(jié)果,探討了AI₆Si₂O₁₃ 晶須/柱晶的生長機(jī)理 ； 同時也 對 AI₆Si₂O<sub

4、>13</sub> 晶須/ 柱晶的生長動力學(xué)進(jìn) 行了研究。在此基礎(chǔ)上 , 采用發(fā)泡 -注凝成型法制備了AI₆Si₂O₁₃ 柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷 ； 研究了AI₆Si₂O₁₃ 漿料的穩(wěn)定性、 流變性和膠凝性 能，發(fā)泡劑的用量、AIF₃ 3H<sub>2

5、</sub>O和 TiO₂用 量以及燒結(jié)溫度、自結(jié)合 AI₆Si₂O₁₃ 相的用量對多孔陶瓷常溫力學(xué)性能的影響 , 研究了所制備多孔陶瓷的高溫力學(xué)性能、 抗熱震性能和熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系,并采用ANSYST限元對Al₆Si₂O₁₃ 多孔陶瓷的高溫隔熱性能進(jìn)行了預(yù)測

6、。研究結(jié)果表明：(1)以 AI<sub>2v/sub>O<sub>3v/sub>和 SiO₂ 粉為原料,以 AIF₃ 3H₂O為添加劑,經(jīng) 1673K反應(yīng) 5h 所合成 AI₆Si₂O₁₃ 晶須的平均長度和長徑 比最大,分別約為99.0卩m和54。AI<sub>6</s

7、ub>Si₂O₁₃ 晶須的生長過程是由氣 -固 反應(yīng)機(jī)理控制的。密度泛函理論(DFT計算結(jié)果表明 ,AI₆Si₂O₁₃ 各晶面吸附AlF₃ (g)和 SiF₄ (g)的吸附能大小順序分別為:Eads( 001 )&gt;Eads ( 111 ) &gt;E

8、ads ( 210) &gt;Eads ( 120)&gt;Eads ( 110)和 Eads(001)&gt;Eads(111)&gt;Eads(120)&gt;Eads(110)&gt;Eads(210), 吸附于 Al₆Si₂O₁₃ 的( 001)面上的 AlF₃ (g)分子和 SiF₄ (g)分子,促使了 晶須沿

9、(001) 面生長。Al₆Si₂O₁₃ 晶須沿長度和直徑方向的生長動力學(xué)指數(shù)分別為 3.3 和 7.2。 (2)以Al₆Si₂O₁₃ 粉為原料 , 分別以 AlF₃ 3H₂O和 TiO₂

10、為添加劑，通過原位反 應(yīng)的方法制備了 Al₆Si₂O₁₃ 柱晶。當(dāng) AlF₃ 3H₂O和 TiO₂ 的用量分別為 4wt%和 7wt%寸，經(jīng)1873K反應(yīng)5h后所合成Al₆Si₂O₁₃

11、柱晶的平均長度最長 , 分別為22.3 卩 m和 27.5 卩 m (3)以 AI<sub>6v/sub>Sivsub>2v/sub>O<sub>13v/sub> 粉為原料、 Isobam 104 為分散劑和粘結(jié)劑、十二烷基硫酸三乙醇胺為發(fā)泡劑和羧 甲基纖維素鈉為穩(wěn)泡劑制備了 AI₆Si₂O₁₃ 多孔陶瓷。即使其孔隙率高達(dá) 76%時, 所制備多孔陶瓷的耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度仍分別為15.3MPa和 3.7MPa。推

12、導(dǎo)了孔隙率在 67⁷6.9%之間的AI₆Si₂O₁₃ 多孔陶瓷在不同溫度下的熱導(dǎo) 率計算模型為(4)分別以 AIF₃ 3H₂O(0⁸wt%)和 TiO₂ ( 0⁹wt%)為添加劑，采 用

13、發(fā)泡 - 注凝成型法制備了 AI₆Si₂O₁₃ 柱 晶自增強(qiáng)多孔陶瓷。適量添加劑的加入可以明顯地減小多孔陶瓷的氣孔孔徑及其分布 ,并提高了其抗折強(qiáng)度 , 所制備的孔隙率約為 67.0%的AI₆Si₂O₁₃ 柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷的常溫抗 折強(qiáng)度可達(dá)13.9MPa,比無柱晶多孔陶瓷的抗折強(qiáng)度提高了約27%(5)在50N-600N

14、-50N的循環(huán)壓應(yīng)力下，隨著溫度的升高,Al₆Si₂O₁₃ 多孔陶瓷的變形位移量呈先 減小后增大 , 最后斷裂的趨勢。多孔陶瓷的抗折強(qiáng)度隨著溫度的升高 ,呈先逐漸增大,然后又逐漸減小的趨 勢；所制備的 Al₆Si₂O₁₃ 柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷的高溫抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)高于無柱晶多孔陶瓷 , 在 1473K 時 ,Al<sub&g

15、t;6</sub>Si₂O₁₃ 柱晶自增強(qiáng)多孔陶瓷的抗折 強(qiáng)度約為6.7MPa,比無柱晶多孔陶瓷的抗折強(qiáng)度（5.9MPS）提高了約13.6%;即使 在 1673K時,Alvsub>6v/sub>Sivsub>2v/sub>O<sub>13v/sub> 柱晶自增強(qiáng)多孔陶 瓷的抗折強(qiáng)度仍可達(dá) 2.8MP&（6）以 Al₂O₃和 SiO₂為自結(jié)合相粉體,采用發(fā)泡-注凝成型法經(jīng)1873K/2h燒結(jié)后制 備了自結(jié)合 Al₆Si₂O₁₃ 多孔陶瓷。AlF₃ 3H₂O的引入可在自結(jié)合多孔陶瓷中原位生 成大量的 Al₆Si<sub