碳化硅質遠紅外泡沫陶瓷過濾板的制備與性能研究

曾小軍 劉維良 班曉磊 馮震乾

（景德鎮陶瓷學院，江西景德鎮 333001）

0 引言

目前泡沫陶瓷存在強度低、氣孔易堵塞等問題，較好機械性能的SiC可有效地解決泡沫陶瓷強度低的問題，而且SiC的電熱轉化功能可解決再生問題，將SiC材質優良的性能與泡沫陶瓷的應用有機地結合，對于節能、環保來說意義重大。

SiC泡沫陶瓷除了具有泡沫陶瓷所共有的高氣孔率、低密度、高比表面積等性質外，還具有由SiC這種材質所帶來的機械強度高，化學性質穩定，高溫性能好，熱導率高、遠紅外線輻射率高和微波吸收能力強以及良好導電性等特點。廣泛應用于熔融金屬過濾、熱傳感器、催化劑載體、污水處理及汽車尾氣凈化等領域[1-6]。利用SiC的電熱轉化功能，加上泡沫陶瓷這種高氣孔率載體的過濾作用，使SiC泡沫陶瓷被認為是用做高溫液體過濾器的最佳候選材料之一[7]。同時，SiC在800℃～1600℃溫度范圍內遠紅外線全輻射率為0.90。

納米遠紅外陶瓷粉是一種具有高的遠紅外輻射率的無機非金屬微粉[8]。在高溫區主要用于鍋爐內涂層快速加熱和烤漆、木材、食品的干燥等。在常溫區主要應用于制造各種遠紅外保暖材料，如用于保暖內衣的遠紅外聚酯纖維、遠紅外農膜以及遠紅外功能陶瓷等[9]。同時，遠紅外陶瓷在處理污水方面效果良好。

基于SiC泡沫陶瓷和納米遠紅外陶瓷粉的性能特點，本文通過配方中添加一定量的納米遠紅外陶瓷粉和氧化鋁粉，降低SiC泡沫陶瓷過濾板的燒結溫度和提高抗壓強度。同時，提高其處理污水的能力。通過大量的試驗獲得了制備碳化硅質遠紅外泡沫陶瓷過濾板的工藝技術，為批量化生產碳化硅質遠紅外泡沫陶瓷過濾板奠定了技術基礎。

1 實驗

1.1 原料

SiC粉，化學純，宜興市利爾耐火材料有限公司；遠紅外粉，工業純，自制；Al2O3粉，工業純，河南鄭州；高嶺土，工業純，蘇州；鉀長石，工業純，湖南；膨潤土，工業純，安徽休寧；NaOH，化學純，天津市恒興化學試劑制造有限公司；羧甲基纖維素鈉（CMC），化學純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 樣品制備

漿料的基礎料重量配比為：高嶺土：鉀長石：Al2O3：膨潤土是12∶13∶5∶5，添加SiC的含量分別為45wt.%、50wt.%、55wt.%、60 wt.%。將各原料按上述比例稱量后進行球磨，球磨后的漿料過250目篩。用2wt.%的NaOH溶液和2wt.%的CMC溶液預處理聚氨基甲酸乙酯泡沫，采用浸漬法，將已處理的聚氨基甲酸乙酯泡沫多次浸入漿料中反復輥壓，使漿料比較均勻地涂覆在海綿體的三維網狀骨架結構的表面，最后用兩塊平板擠出多余漿料，以防堵孔。將浸漬好的樣品在室溫下24h涼干，再經100℃烘干，放入電阻爐中燒成。

1.3 性能測試

采用西安力創材料檢測技術有限公司的WDW-10型電子萬能試驗機測定樣品抗壓強度；采用北京瑞利分析儀器公司的WFZ800-D3B型紫外可見分光光度計測定樣品處理10%的甲基橙溶液后的吸光度。

2 結果分析與討論

2.1 樣品的形貌分析

從圖1和圖2可知，樣品規整度較好，孔筋大小均勻，測量得平均直徑在1.5mm左右。由聚氨基甲酸乙酯泡沫的TG-DTA曲線[10]可知，泡沫在230℃開始失重，到600℃基本上不再變化，故在此溫度范圍需緩慢升溫、保溫，以保證樣品不會在泡沫分解時變形和塌陷。

圖1 樣品的正面圖Fig.1 The front view of samples

圖2 樣品的側面圖Fig.2 The side view of samples

圖3 碳化硅含量與容重的關系曲線Fig.3 The relation curve of the SiC content and the bulk density

圖4 碳化硅含量與抗壓強度的關系曲線Fig.4 The relation curve of the SiC content and the compressive strength

圖5 燒成溫度與抗壓強度的關系曲線Fig.5 The relation curve of the firing temperature and the compressive strength

2.2 碳化硅含量對樣品容重和抗壓強度的影響

圖6 保溫時間與抗壓強度的關系曲線Fig.6 The relation curve of the holding time and the compressive strength

圖7 遠紅外粉添加量與吸光度的關系曲線Fig.7 The relation curve of the far-infrared powder and the absorbance

從圖3和圖4可知，隨著碳化硅含量的增加，樣品的容重減小，抗壓強度先增大后減小，SiC含量為50wt.%時，抗壓強度為最大值。其原因是碳化硅含量增加后，相應的塑性原料減少，導致漿料的粘度降低，掛漿減少，從而導致樣品的密度降低，最終使樣品的容重減小。碳化硅具有較高的力學性能，故碳化硅的增加會增大抗壓強度，但達到一定量后，樣品難以燒結，導致抗壓強度減小。

2.3 燒成溫度和保溫時間對樣品抗壓強度的影響

Gibson和Ashby[11]通過對泡沫材料建立一個簡單的立方孔單元結構模型推導出開口氣孔脆性泡沫（a≥L）強度的數學表達式：

其中，σft為多孔材料的力學強度，σs為孔筋強度，C為常數；a為宏觀缺陷臨界尺寸，對于多孔材料，氣孔尺寸為臨界缺陷尺寸的下限；L為棱長度，ρ 為多孔體的容重，ρs為孔筋密度。

由公式（1）可知，多孔陶瓷的強度受孔筋強度、氣孔尺寸和體內氣孔率的影響。從圖5可知，隨著燒成溫度的提高，樣品的容重減小，抗壓強度先增大后減小。在1480℃時出現了最大值。結合公式（1）分析，當溫度較低時，結合劑沒有完全熔融，玻璃態物質較少，不能很好的將基體顆粒粘結在一起。隨著溫度的升高，結合劑粘結作用增強，玻璃態物質增多，能很好的粘結SiC顆粒，從而使孔筋處燒結密實，強度增大。同時，一定量的Al2O3的引入有利于在坯體中形成液相，通過液相溶解再沉淀機理達到致密化，使強度增大。當孔筋的強度增加到一定程度時，溫度再提高，氣孔率增大，導致強度減小。

當最高燒成溫度為1480℃時，保溫時間與抗壓強度的關系曲線如圖6所示。從圖6可知，隨著保溫時間的增加，樣品的抗壓強度增大。究其原因，隨著保溫時間的增加，樣品在燒結過程中吸收了更多的能量，促進樣品的燒結致密化，導致抗壓強度增大。當保溫時間達到一定時，樣品趨于燒結致密化，其抗壓強度基本上不再增大。

2.4 遠紅外粉的添加量對污水降解能力的影響

綜上所述，最佳工藝為50wt.%SiC，燒成溫度1480℃，保溫時間150min。采用此工藝，配方中分別添加0wt.%、5wt.%、10wt.%和15wt.%的遠紅外粉制備碳化硅質遠紅外泡沫陶瓷過濾板樣品。將所得樣品浸泡在10wt.%的甲基橙溶液中2h后測其吸光度，測試結果如圖7所示。從圖7可知，隨著遠紅外粉的添加量增大，甲基橙溶液的吸光度減小。當添加量達到10wt.%時吸光度為0.051，再增加遠紅外粉的添加量，吸光度改變量較小。這表明遠紅外粉的添加量越大，所得的樣品對甲基橙溶液的降解能力越強，對水的活化能力越強，且最佳添加量為10wt.%。

3 結論

（1）制備碳化硅質遠紅外泡沫陶瓷過濾板樣品的最佳配方和工藝參數為基礎料50wt.%，SiC 50wt.%；燒成溫度1480℃，保溫時間150min。

（2）遠紅外粉的添加使樣品對污水的降解效果較好，最佳添加量為10wt.%，吸光度為0.051。

1 ZHU X W,JIANG D L,TAN S H.Reaction bonding of open cell SiC-Al2O3composites.Materials Research Bulletin,2001,36:2003～2015

2 HAUGEN H,WILL J,KOHLER A.Ceramic TiO2-foams:characterization of apotential scaffold.Journal of the European Ceramic Society,2004,24:661～668

3 PENGY,RICHARDSON JT.Propertiesof ceramic foam catalyst supports:one-dimensional and two-dimensional heat transfer correlations.Applied Catalysis A:General,2004,266:235～244

4 ALTINKOK N,DEMIR A,OZSERT I.Processing of Al2O3/SiC ceramic cake performs and their liquid Al metal infiltration.Composites:Part A,2003,34:577～582

5曹大力,馬雷,周靜一,等.碳硅石-莫來石泡沫陶瓷過濾器的研制.鑄造,2006,55(6):659-664.

6 TOMITA T,KAWASAKIS,OKADA K.Effect of viscosity on preparation of foamed silica ceramics by a rapid gelation foaming method.Journal of Porous Materials,2005,12:123～129

7 STUDART A,GONZENBACH U,TERVOORT E,et al.J.Am.Ceram.Soc.,2006,89(6):1771

8劉維良,陳云霞.納米遠紅外陶瓷粉末的制備工藝與性能研究.中國陶瓷,2002,(1):38

9李紅濤,劉建學.遠紅外輻射陶瓷研究的現狀及進展.陶瓷,2005,(4):49～51

10魏云靜.泡沫碳化硅陶瓷的制備工藝與性能研究.陜西:西安科技大學,2004

11 Gibson L J,Ashby M F.Cellular solids.Britain:Cambridge University Press,1997:20～49