河南科技大学毕业设计(论文)
第一章 前 言
§1.1 泡沫陶瓷材料的简介
泡沫陶瓷是一种以气孔为主相的新型陶瓷材料，按气孔结构的不同可分为两大类：泡沫型和网眼型，它是由各种颗粒料与结合剂组成的坯料，经过成型、烧成等许多复杂的工艺制得的。泡沫陶瓷主要以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料并可加入流变剂、粘结剂作为添加剂，调节各种颗粒料之间的矿物组成、颗粒级配比和坯体的烧成温度，泡沫陶瓷可具有不同的物理与化学特性。
泡沫陶瓷通常也被称为多孔陶瓷，气孔率在20%-95%间，最高使用温度可达1600℃，它与玻璃纤维、金属等相比，具有更优异的特性，如气孔分布均匀、孔隙率较高、体积密度小、比表面发达及其独特的物理表面特性，对液体和气体介质有选择的透过性，加之陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀、高的化学稳定性和尺寸稳定性，使多孔陶瓷材料可在气体液体过滤、净化分离、化工催化载体、吸声减震及生物植入材料等方面得到广泛应用。
§1.2 泡沫陶瓷的制备工艺
§1.2.1发泡法
发泡法可以制备形状复杂的泡沫陶瓷，以满足一些特殊场合的应用。主要原理是在陶瓷粉料中加人适当的发泡剂通过化学反应产生挥发性气体从而产生泡沫，然后再经干燥和烧成制得。目前常用碳化钙、氢氧化钙、铝粉、硫酸铝和双氧水作发泡剂，在制备过程中加入部分陶瓷纤维可以增加坯体在烧结过程中的强度，避免粉化和塌陷。这种工艺易于控制制品的形状、成分和密度，且可制备各种孔径大小和形状的多孔陶瓷，特别适于生产闭气孔的陶瓷制品。但对原料要求较高，工艺条件不易控制是其缺点。
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§1.2.2添加造孔剂法
通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而形成气孔来制备泡沫陶瓷。利用这种方法可以制得形状复杂的泡沫陶瓷制品，但制品气孔分布的均匀性较差、气孔率低。与普通的陶瓷工艺流程相比，添加造孔剂法制备泡沫陶瓷的工艺流程的关键在于造孔剂种类和用量的选择。造孔剂颗粒的形状和大小决定了泡沫陶瓷材料气孔的形状和大小，其成形方法主要有模压、挤压、等静压、注射和粉料浇注等，造孔剂在加热过程中要易于排除，造孔剂的种类和用量的选择是该方法的关键。造孔剂分为有机造孔剂和无机造孔剂两种。碳酸铵、碳酸钙、氯化铵等高温可分解盐类以及各类碳粉，属于无机造孔剂；天然纤维、高分子聚合物和有机酸等属于有机造孔剂。
§1.2.3凝胶注模法
美国橡树岭国家实验室首次提出了凝胶注模工艺(gel-casting)，凝胶注模法是目前较流行的制备泡沫陶瓷方法之一。制备思路是将有机单体溶液与陶瓷粉体、引发剂和催化剂球磨混合成均匀浆料，然后浸渍聚合物泡沫使之在泡沫网络骨架表面形成涂层，最后有机单体在引发剂和催化剂作用下产生原位聚合反应，使浆料凝固。作为制备泡沫陶瓷的一种新型方法，悬浮体泡沫化是最经济的，其原位聚合固化所形成的素坯具有内部网状结构且强度较高。通过凝胶注模成形法制备的陶瓷微观结构均匀、致密，具有完整的可靠性。其工艺简单，适合大批量生产，同时该方法可以实现复杂形状成形，可用来制备形状复杂，具有特殊要求的陶瓷材料；此外该法具有灵活的可调性，可以根据材料性能的要求自由控制凝固时间。注模法的关键技术是如何控制料浆内部及添加剂的原位化学反应，使陶瓷料浆原位凝固形成坯体。
§1.2.4有机泡沫浸渍法
该方法是目前工业上最常用的方法之一。基本思路是：首先将有机泡沫浸渍到陶瓷料浆中，然后经过干燥、烧结使有机泡沫脱离母体就可以获得泡
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沫陶瓷。多孔素坯的干燥方法可以采用阴干、烘干，水分要控制在l％以下。干燥后的烧结阶段分2个步聚：低温阶段和高温阶段。在低温阶段，为防止有机物剧烈氧化而在短时间内产生大量气体，造成坯体开裂和粉化，要控制升温速率不宜过快。在高温阶段，要根据需要控制烧结温度，烧结温度太低制品强度不够，反之，烧结温度过高会使泥浆发生瓷化，使制品的耐热冲击性能和表面活性降低，吸附杂质的能力降低。
随着泡沫陶瓷使用范围的不断扩大，制备方法多种多样，许多用来生产陶瓷的方法都可以用来生产泡沫陶瓷。在泡沫陶瓷的制备中，人们对简化工艺、提高效率、降低成本的要求日益提高。近几年新的制备技术不断被提出，都在努力朝着高开孔率、结构均匀并可控、力学性能优良的方向发展，使产品的使用性能达到最佳状态。
图1-1 有机泡沫浸渍工艺成孔原理
其泡沫成孔原理如图1-1，该工艺是制备高气孔率（70%~90%）泡沫陶瓷的一种有效工艺，并且此类泡沫陶瓷具有开孔三维网状骨架结构。其典型工艺流程如图1-2所示。
陶瓷粉料 干燥 有机泡沫的选择 预处理 浸渍处理 除去多余浆料 浆料制备 溶剂
图1-2 有机泡沫浸渍法典工艺图
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添加剂 烧成 排除有机泡沫 河南科技大学毕业设计(论文)
§1.3泡沫陶瓷的添加剂种类
浆料除了具有一般陶瓷浆料的性能外，还需要具有尽可能高的固相含量(水含量一般为10％～40％，浆料比重为1．1～2．29／cm3)和较好的触变性。为了获得较适合浸渍成型的浆料，必须加入一定量的添加剂，添加剂一般有以下几种。
§1.3.1粘结剂
在浆料中添加粘结剂，不仅有助于提高素坯干燥后的强度，而且能防止坯体在有机物排除过程中的塌陷，从而保证最终烧结体具有足够的机械强度。常用的粘结剂有钾、钠硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐以及氢氧化铝溶胶和硅溶胶等。粘结剂的种类与特性对制品的性能影响较大，选择合适的粘结剂对于改善网眼多孔陶瓷的性能非常重要。例如，在制备碳化硅多孔陶瓷时研究发现，用聚乙烯醇作粘结剂，干燥后的网眼素坯强度不高，且烧结后有塌陷；而硅溶胶却比较理想，它不仅能使干燥素坯具有足够高的强度，而且也能保证最终烧结体具有较高的强度。
§1.3.2流变剂
浆料的流动性能保证浆料在浸渍过程中能渗透到有机泡沫中，并均匀地涂敷在泡沫网络的孔壁上。浆料的触变性即要求浆料具有在静止时处于凝固状态，但在外力作用下又恢复流动性的特性。良好的触变性可以保证在浸渍浆料和挤出多余浆料时，在剪切作用下降低粘度，提高浆料的流动性，有助于成型，而在成型结束时，浆料的粘度升高，流动性降低。这就使得附着在孔壁上的浆料容易固化而定型，避免了因为浆料的流动造成坯体严重堵孔而影响制品的均匀性。改善浆料的流变性能尤其是触变性，添加的流变剂通常有天然粘土(0.1％～12％，质量计)，如膨润土、高岭土和羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等。
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§1.3.3分散剂
为了提高浆料的固含量，无论是水基体系还是非水基体系均需加入分散剂。分散剂可以提高浆料的稳定性，阻止颗粒再团聚，进而提高浆料的固含量。对于不同的粉料系，分散剂的效果一般不同。对A1：0。粉体来说，非水体系中T“tonXloo、Solspers 3000、Aerosol AY是良好的分散剂，而在A1203水基体系中，只有Darvance(25％的聚甲基丙烯酸铵)具有良好分散的效果。对于SiC水基体系，采用聚乙烯亚胺(PEI)作分散剂比较理想。
§1.3.4 消泡剂和表面活性剂
为了防止浆料在浸渍和挤出多余浆料的过程中起泡而影响制品的性能，需加入消泡剂，一般采用低分子量的醇和硅酮。
陶瓷浆料为水基浆料时，如果有机泡沫与浆料之间的润湿性差，在浸渍浆料时就会出现泡沫结构的交叉部分附着较厚的浆料，而在结构的桥部和棱线部分附着很薄的浆料的现象。这种情况严重时会导致烧结过程中坯体开裂，使多孔陶瓷的强度明显降低。因此，通常采用添加表面活性剂的方法以改善陶瓷浆料与有机泡沫体之间的附着性来解决此问题，如添加SurfynolTG、PEI等，添加剂量一般为o．005％～1．O％。
§1.4 泡沫陶瓷的发展应用
早在1963年就有人提出用泡沫塑料浸渍的方法制备泡沫陶瓷，并主要用于制作各种过滤器。后来又推广应用到冶金、化工、环保、能源、生物等领域。例如：可以用作催化剂载体、熔融液体和高温气体的过滤器、热交换器、保温和隔音材料以及生物材料等。制备碳化硅多孔陶瓷有多种工艺方法，包括添加造孔剂工艺、发泡工艺、有机泡沫浸渍工艺、溶胶一凝胶工艺等。SiC多孔陶瓷具有高强度、高温高压下不变形、抗热震性好，在强化过滤条件下压力损害低等性能，因而在高温烟气干式除尘和水净化方面有着广阔的应用
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