《先进陶瓷材料》
课 程 设 计
名 称 石英多孔材料的烧结工艺设计 专 业 姓 名 年 级 学 号 任课教师
课程成绩
二零一五年五月
先进陶瓷材料课程设计
目 录
第一章 文献综
述···································································································1
1.1 多孔材料的用途 .................................................................................................................... 1 1.2 多孔材料的制备工艺 ............................................................................................................ 1 1.3多孔材料的发泡技术 ............................................................................................................. 5 1.4石英砂的用途......................................................................................................................... 6 1.5研究的内容、目的与意义 ..................................................................................................... 6
第二章 实验方案设
计·································································································8 2.1 实验设
备···································································································8 2.2实验过
程··································································································11 第三章 数据分
析·································································································14
3.1 烧结温度对石英砂多孔砖性能影响 .................................................................................. 14 3.2烧结方式对石英砂多孔砖性能影响 ................................................................................... 17
第四章 结
论································································································21 参考文
献·································································································21 第五部分 课程启发及感悟 ....................................................................................... 23
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第一章 文献综述
1.1 多孔材料的用途
多孔材料的研究范围很广，目前研究得较多的有各种无机气凝胶、有机气凝
胶、多孔半导体材料、多孔金属材料等。这些材料的共同特点是密度小，孔洞率高，比表面积大，对气体有选择性透过作用。孔径的可调性拓宽了多孔材料的应用范围。具有选择透过性的多孔膜将成为化学工业新一代分离系统的首选材料，还可用作能源工业中的热气体过滤器，多种环境净化技术中的分离介质等。新的运输技术，如燃料电池驱动的车辆，也需要用有效的多孔材料作为电极、分离器和气体存储介质，此外多孔材料还可用作下一代高性能电池的电极和分离器。采用低介电常数的多孔基片能降低阻容时间常数，大大提高信号的处理速度。1993年5月，美国一个多孔材料研究工作组确立了以下十个方面作为多孔材料在工业生产上的可能应用:①高效气体分离膜;②化学过程的催化膜;③高速电子系统的衬底材料;④光学通讯材料的先驱体;⑤高效隔热材料;⑥燃料电池的多孔电极;⑦电池的分离介质和电极;⑧燃料(包括天然气和氢气)的存储介质;⑨环境净化的选择吸收剂;⑩可重复使用的特殊(HEPA-型)过滤装置[3]。
1.2 多孔材料的制备工艺
多孔材料是20世纪发展起来的崭新材料体系,它包括金属多孔材料(即常说的泡沫金属)和非金属多孔材料(如泡沫塑料和多孔玻璃等)。其显著特点是具有规则排列、大小可调的孔道结构及高的比表面积和大的吸附容量,在大分子催化、吸附与分离、纳米材料组装及生物化学等众多领域具有广泛的应用前景[4]。
多孔材料是当前材料科学中发展较为迅速的一种材料。包括各种无机、有机气凝胶、多孔半导体材料、多孔陶瓷、多孔金属材料等。这些材料具有这样一些特点：低的密度，高的孔隙率，大的比表面积，并且可以有选择地透过流体。多孔金属是多孔材料的一种，是对含孔隙金属的统称。英文名称为“porous metal”而有时对发泡法制备的多孔金属则习惯上称为泡沫金属(foamed metal)[5]。
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到目前为止, 国内外对多孔泡沫金属的制备工艺方面的研究较多, 归纳起来主要有以下几种: (1) 铸造法；(2) 粉末冶金法；(3) 金属沉积法；(4) 纤维烧结法。各种工艺方法的原理如下:
（1）铸造法 该方法是由熔融金属或合金冷却凝固后形成的多孔泡沫金属, 随不同的铸造方法可覆盖很宽的空隙范围和具备各种形状的空隙。与其他各种工艺方法相比, 该方法具有生产工艺简单、成本较低等优点, 便于工业推广应用。在铸造法中又可分为四种方法: 直接发泡法、加中空球料法、渗流铸造法和熔模铸造法。
（2）粉末冶金法 该方法是将金属粉末与发泡粉末按比例配制并混匀, 在适当的压力下将其压成具有气密结构的预制品。然后将压好的预制品进一步地加工, 如轧制、模锻或挤压, 使之成为半成品, 再将此半成品放入所需零件形状的钢模内, 加热到接近或高于混合物熔点的温度, 使发泡剂分解释放气体, 使预制品膨胀, 从而形成多孔泡沫金属。用此法制备的多孔金属, 孔径大都小于0.13mm , 孔隙率一般不高于30% ,但也可通过特殊的工艺方法制成孔隙率大于30% 的产品。此方法虽然工艺较为复杂, 但产品质量高, 性能稳定, 便于商业化生产, 从而得到迅速发展。
（3）金属沉积法 该方法是由原子态金属在有机多孔基体内表面沉积后, 去除有机体并烧结而成, 由此方法所获得的多孔泡沫金属的主要特点是孔连通, 孔隙率高(均在80% 以上) , 具有三维网络结构。这类多孔金属材料是一种性能优异的功能结构材料, 但其强度性能受到一定的限制。目前在国内外均大批量生产, 其典型产品是泡沫镍和泡沫铜。
（4）纤维烧结法 该方法是使用金属纤维来代替粉末颗粒制造多孔金属，由此方法制备的多孔金属其渗透性要比粉末法制取的高几十倍。此外它还具有较高的机械强度、抗腐蚀性能和热稳定性能。可用于许多过滤环境苟刻的行业, 被称为第二代多孔金属过滤材料[6]。
多孔陶瓷是由美国于1978年首先研制成功的。他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材料制成多孔陶瓷用于铝合金铸造中的过滤，可以显著提高铸件质量，降低废品率，并在1980年4月美国铸造年会上发表了他们的研究成果。此后，英、
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俄、德、日等国竞相开展了对多孔陶瓷的研究，已研制出多种材质、适合不同用途的多孔陶瓷，技术装备和生产工艺日益先进，产品已系列化和标准化，形成为一个新兴产业。多孔陶瓷首要特征是其多孔特性，制备的关键和难点是形成多孔结构。随着对多孔陶瓷工业需求的增多,人们已经发展了多种传统的多孔陶瓷制备工艺,如添加造孔剂法、发泡法、有机泡沫浸渍法、溶胶-凝胶法等;同时,也不断的涌现出许多新颖的制备工艺。
添加造孔剂工艺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，造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷。虽然在普通的陶瓷工艺中，采用调整烧结温度和时间的方法，可以控制烧结制品的气孔率和强度，但对于多孔陶瓷烧结温度太高会使部分气孔封闭或消失，烧结温度太低，则制品的强度低，无法兼顾气孔率和强度，而采用添加造孔剂的方法则可以避免这种缺点，使烧结制品既具有高的气孔率，又具有很好的强度。杨建峰等通过添加少量碳粉制备出低收缩、高孔隙率氮化硅多孔陶瓷。吴建峰等利用该工艺制得多孔磷酸三钙生物陶瓷。薛友祥等以木炭为造孔剂制得饮用水净化用高性能微孔陶瓷滤芯[7]。
发泡法是在原料中添加发泡剂，利用发泡剂在热处理时形成挥发性气体，而产生泡沫的特性来造孔。常用的发泡剂有碳酸盐、氢氧化钙、硫酸盐和双氧水等。发泡法具有较易获得一定形状、组成和密度的多孔陶瓷的优点，特别适用于制备闭孔陶瓷。其缺点是工艺较复杂，发泡剂的剂量通常需要靠经验调节而非精确量化，这就会造成产品性能规格的不一致。Vujir等将堇青石粉料与作发泡剂的高分子化合物混合制备成浆料，在氮气的氛围中采用机械搅拌的方法使其发泡，并制坯成型，干燥烧结后获得了汽车尾气过滤器使用的多孔陶瓷。Altinkok等将原料配制成悬浊液而非泥浆，巧妙地利用水沸腾产生大量气泡的性质造孔，制备出最大孔隙率为95%的A12O3／SiC多孔陶瓷。
有机泡沫浸渍法是1963年由美国学者Schwartzwalder等发明的，其原理是利用有机泡沫特殊的三维开孔网状骨架结构做模板，将陶瓷浆料均匀涂覆在其表面形成涂层，干燥后烧掉有机泡沫，从而获得具有有机泡沫一次反型结构的多孔陶瓷。该方法特别适合制备具有很高显孔隙率的多孔陶瓷，产品孔隙分布均匀，成本低廉，工艺过程简单，很适于工业化大生产。但是，有机泡沫的烧除会在多
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