发泡法制备莫来石多孔陶瓷

硅酸盐学报

吴文浩，张海军，葛胜涛，李赛赛，张少伟

(武汉科技大学，省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，武汉 430081)

摘要：以碳化硅及碳酸钙为造孔剂，采用发泡–注凝成型结合添加造孔剂法制备了具有大孔–介孔复合孔结构的莫来石多级孔陶瓷，研究了SiC加入量对莫来石多孔陶瓷常温物理性能和高温隔热性能的影响。结果表明：以莫来石粉体为主要原料，以CaCO₃和SiC为造孔剂，采用发泡结合添加造孔剂法可制备具有较高闭气孔率的莫来石多孔陶瓷；当SiC加入量为4%(质量分数)时，所制备试样的导热系数最低，其孔隙率约为69.9%。

关键词：莫来石；多级孔陶瓷；发泡–注凝成型法；造孔剂

中图分类号：TQ174 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2020)09–1353–07

网络出版时间：2020–07–13

前言：

莫来石多孔陶瓷(MPC)由于具备熔点高、热膨胀系数小及热导率较低等卓越特性^[1–5]，是隔热、催化及气体净化等领域的理想材料^[6–8]。但目前MPC在实际应用中仍存在孔隙率较低以及隔热性能较差等问题，限制了其推广与使用^[9–12]。

多级孔材料具有孔隙率高、化学稳定性好及孔体积大等优点^{[5, 13–15]}。但是，目前多级孔材料制备的困难之处在于其内部多级孔结构难以控制^[16–17]。研究表明，在多孔陶瓷烧结过程中，引入合适的添加剂可在材料内部形成大孔–介孔复合的多级孔结构，进而获得孔隙率较高、隔热性能优异的多级孔陶瓷。

目前，CaCO₃与SiC等是MPC常用的造孔剂^[18–20]。其中，当以SiC为添加剂时，一方面SiC的氧化过程能够产生高温液相并促进烧结的进行，另一方面其氧化产物中的CO和CO₂气体会被液相包裹形成封闭气孔，降低多孔陶瓷的导热系数^[21–22]。Zhang等^[23]以莫来石纤维为原料，以SiC、淀粉及B₄C为黏结剂，采用挤压成型工艺经1673K保温1h制备了气孔率可达87.3%，且耐压强度和导热系数分别为2.1MPa及0.093W·m^–1·K^–1的MPC。Lei^[24]等以SiC、氧化铝和莫来石纤维为原料，水溶性环氧树脂为胶凝剂，采用凝胶注模法合成了孔隙率最高为71.7%的MPC。结果表明，当烧结温度为1823K时，所制备多孔陶瓷的导热系数可低至0.378W·m^–1·K^–1。

基于此，本工作以莫来石粉体为主要原料，以CaCO₃和SiC为造孔剂，采用发泡结合添加造孔剂法制备了含有多级孔结构的MPC，研究了不同SiC加入量对MPC的常温物理性能及隔热性能的影响。

结论：

以莫来石粉体为原料，以CaCO₃和SiC为造孔剂，采用发泡–添加造孔剂法合成了具有多级孔结构的MPC。引入适量的SiC粉体有利于制备闭气孔率较高的MPC，其原因是，在高温下，CaCO₃分解成CaO和CO₂，SiC的氧化成SiO₂和CO气体，CaO与SiO₂的生成能够促进高温液相的生成，同MPC中的CO和CO₂气体会被液相包裹从而形成封闭气孔。当固含量为52%、CMC加入量0.1%、IB加入量为0.5%、TLS加入量为0.4%及CaCO₃加入量为4%时，试样加入0~8%的SiC可制得具有1.2%~2.7%闭气孔率的MPC。当SiC加入量为4%时，所制备MPC试样的气孔率约为69.9%，其抗折和耐压强度分别为6.2和14.7MPa，同时其导热系数达到最低，约为0.57W·m^–1·K^–1。

文中部分图表：

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