原料配比對石英質(zhì)孔梯度陶瓷性能的影響

， ，，

(1.廣西民族大學(xué)相思湖學(xué)院，南寧 530008；2.九江學(xué)院機械與材料工程學(xué)院，九江 332005；3.萍鄉(xiāng)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，江西省環(huán)保材料與裝備工程技術(shù)研究中心，萍鄉(xiāng) 337055)

0 引 言

多孔陶瓷是指由原料經(jīng)成型和高溫?zé)Y(jié)而成的具有較高氣孔率的一種陶瓷材料。多孔陶瓷具有耐高溫、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕、微孔均勻，以及原料來源廣等特點，在化工、石油、冶金、機械、食品、醫(yī)藥、生物等行業(yè)中作為固液分離、曝氣、吸聲、換熱等材料而得到了較多應(yīng)用。但是，多孔陶瓷的網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)降低了其強度，影響了其使用范圍與壽命[1-5]。

功能梯度材料是指組成和結(jié)構(gòu)從一方位(一維、二維、三維)向另一方位連續(xù)變化，使性能和功能也呈現(xiàn)梯度變化的一種新型材料[6-7]。孔梯度陶瓷是指陶瓷中的孔徑隨陶瓷厚度呈現(xiàn)出規(guī)律變化的一種陶瓷材料，孔梯度分布使得該陶瓷既能作為過濾材料完成分離過程，又能作為保溫材料完成隔熱過程，不僅有效解決了傳統(tǒng)多孔陶瓷依靠增大氣孔率來提高分離效率和保溫效果的問題，而且在一定程度上保證了陶瓷的強度[8-9]。然而，氣孔率和力學(xué)性能的同步提升仍是孔梯度陶瓷研究的重點。為此，作者以資源豐富的低品位石英砂為主要原料，模仿工業(yè)生產(chǎn)工藝制備孔梯度陶瓷，研究了石英砂含量、水料質(zhì)量比和發(fā)泡劑含量對該陶瓷氣孔率、抗壓強度和顯微結(jié)構(gòu)的影響，為制備高性能的石英質(zhì)孔梯度陶瓷提供參考依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

將從九江地區(qū)長江沿岸采集的低品位石英砂(河沙)在太陽下曬干，干燥的石英砂呈黃色，組成如表1所示。對石英砂進行粗選，過50目篩后，裝入球磨罐在QM-BP型行星式球磨機上球磨1 h，球磨后的平均粒徑為14m。

表1 石英砂的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of the quartz sand (mass) %

按照石英砂含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)分別為65%，70%，75%稱取石英砂和高嶺土，再以碳酸鈣和發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%，0.5%，0.8%稱取碳酸鈣和發(fā)泡劑，添加適量的水(水料質(zhì)量比分別為0.9，1.0，1.1)后在GMJ-4-10型臥式球磨機中進行球磨，采用氧化鋁瓷球，大球和小球的直徑分別為10，5 mm，大小球質(zhì)量比為1∶1，裝料量為罐體體積的50%，球料質(zhì)量比為1∶1，主軸轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，球磨時間為2 h。將球磨后的漿料澆注到φ80 mm塑料模具中，自然沉積24 h后，在RHY202-3型烘箱中依次于20 ℃保溫24 h，40 ℃保溫24 h，60 ℃保溫12 h，80 ℃保溫12 h，進行梯度升溫烘干，得到尺寸為φ80 mm×60 mm的坯體；將坯體放入ZT-50-22型真空碳管爐中于1 150 ℃保溫1 h燒結(jié)[10]。燒結(jié)后的陶瓷用超聲波清洗，烘干待用。

1.2 試驗方法

在燒結(jié)后的陶瓷上切割出尺寸為60 mm×60 mm×60 mm的矩形試樣，在其表面輕抹一層甘油，以防止測試過程中水進入開孔中，采用BSA224S-CW型物性分析電子天平、應(yīng)用阿基米德法測試樣的氣孔率。

采用WDW-E100D型萬能力學(xué)試驗機測試樣的抗壓強度，加載速率為1 N·s-1，利用TESCAN VEGA Ⅱ型掃描電鏡觀察其顯微結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 石英砂含量對陶瓷性能的影響

由圖1可以看出，隨著石英砂含量的增加，試樣的氣孔率增大，抗壓強度降低。石英砂屬于脊性原料，在燒結(jié)過程中不發(fā)生收縮，作為骨架的主要成分支撐整個陶瓷結(jié)構(gòu)，而其他原料在燒結(jié)時發(fā)生收縮或者分解，使得陶瓷內(nèi)部孔隙增多，氣孔率增大。氣孔率增大，則試樣中的骨架相應(yīng)減少，骨架是主要的承力部位，因此抗壓強度下降。

圖1 陶瓷試樣的氣孔率和抗壓強度隨石英砂含量的變化曲線(發(fā)泡劑含量0.8%，水料質(zhì)量比1.0)Fig.1 Porosity and compressive strength vs quartz sand content of ceramic samples (blowing agent content of 0.8%, water to material mass ratio of 1.0)

由圖2可以看出，隨著石英砂含量的增加，試樣中的氣孔逐漸增多，在宏觀上呈現(xiàn)出一定的孔梯度結(jié)構(gòu),但成型效果變差。石英砂為脊性原料，其含量增加，則相應(yīng)的高嶺土含量減少，這使得石英砂顆粒之間的黏結(jié)力降低，成型時顆粒之間的嚙合作用力減小；同時漿料與模具壁之間的黏度不變，但相互作用力增大。因此，在干燥過程中含較多石英砂的坯體更易變形，甚至破裂，其成型效果變差[11-12]。

由圖3可以看出：當(dāng)石英砂含量為65%時，試樣中的氣孔分布不均勻；當(dāng)石英砂含量為70%時，試樣中的氣孔分布均勻，表面雜質(zhì)顆粒較少，氣孔圓滑，燒結(jié)頸明顯；當(dāng)石英砂含量為75%時，氣孔稍有變形，甚至破裂，并且有細小顆粒附著在氣孔的內(nèi)表面，這是因為石英砂含量較高時，顆粒之間的黏結(jié)性較差，在燒結(jié)過程中熱應(yīng)力的作用下顆粒易脫黏而附著在氣孔內(nèi)表面，同時熱應(yīng)力也會破壞氣孔。綜合考慮陶瓷的氣孔率、抗壓強度和顯微結(jié)構(gòu)，石英砂含量為70%較為適宜。

圖2 不同石英砂含量陶瓷試樣的宏觀形貌(發(fā)泡劑含量0.8%，水料質(zhì)量比1.0)Fig.2 Macromorphology of ceramic samples with different content of quartz sand (blowing agent content of 0.8%,water to material mass ratio of 1.0)

圖3 不同石英砂含量陶瓷試樣的微觀結(jié)構(gòu)(發(fā)泡劑含量0.8%，水料質(zhì)量比1.0)Fig.3 Microstructures of ceramic samples with different content of quartz sand (blowing agent content of 0.8%,water to material mass ratio of 1.0)

圖4 陶瓷試樣的氣孔率和抗壓強度隨水料質(zhì)量比的變化曲線(石英砂含量70%，發(fā)泡劑含量0.8%)Fig.4 Porosity and compressive strength vs water to material mass ratio of ceramic samples (quartz sand content of 70%, blowing agent content of 0.8%)

2.2 水料質(zhì)量比對陶瓷性能的影響

由圖4可以看出，隨著水料質(zhì)量比的增大，試樣的氣孔率先增大后減小，抗壓強度先減小后增大,當(dāng)水料質(zhì)量比為1.0時，氣孔率最大，抗壓強度最小。水含量的增多使得漿料發(fā)泡更充分，但同時降低了漿料的黏度；黏度的降低使得氣泡在漿料中的遷移更容易，氣泡易向表面移動而形成開孔，導(dǎo)致漿料中保留下來的氣泡數(shù)量減少，氣孔率降低。

由圖5可以看出，隨著水料質(zhì)量比的增大，試樣中的氣孔分布變得更均勻，裂紋減少。

由圖6可以看出：當(dāng)水料質(zhì)量比為0.9時，料漿發(fā)泡不完全，試樣中的氣孔比較雜亂，燒結(jié)頸不明顯；當(dāng)水料質(zhì)量比為1.0時，料漿發(fā)泡完全且實現(xiàn)均勻發(fā)泡，使得成型坯體的氣孔分布均勻，燒結(jié)后的氣孔比較圓滑，顆粒夾雜物較少；當(dāng)水料質(zhì)量比為1.1時，漿料過度發(fā)泡導(dǎo)致氣泡不穩(wěn)定，在成型、燒結(jié)過程中氣泡容易被破壞，使得很多細小顆粒附著在氣孔內(nèi)并發(fā)生連結(jié)，在保溫隔熱過程中熱量能夠通過傳導(dǎo)方式進行傳遞，對試樣的隔熱保溫性能不利。綜合考慮陶瓷的氣孔率、抗壓強度和顯微結(jié)構(gòu)，水料質(zhì)量比為1.0較為適宜。

2.3 發(fā)泡劑含量對陶瓷性能的影響

由圖7可知，試樣的氣孔率隨著發(fā)泡劑含量的增加而增大，抗壓強度則逐漸降低，當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，氣孔率為60%，抗壓強度為6.18 MPa。

圖5 不同水料質(zhì)量比下陶瓷試樣的宏觀形貌(石英砂含量70%，發(fā)泡劑含量0.8%)Fig.5 Macromorphology of ceramic samples with different mass ratios of water to material (quartz sand content of 70%,blowing agent content of 0.8%)

圖6 不同水料質(zhì)量比下陶瓷試樣的微觀結(jié)構(gòu)(石英砂含量70%，發(fā)泡劑含量0.8%)Fig.6 Microstructures of ceramic samples with different mass ratios of water to material (quartz sand content of 70%,blowing agent content of 0.8%)

圖8 不同發(fā)泡劑含量下陶瓷試樣的宏觀形貌(石英砂含量70%，水料質(zhì)量比1.0)Fig.8 Macromorphology of ceramic samples with different blowing agent content (quartz sand content of 70%,water to material mass ratio of 1.0)

圖7 陶瓷試樣的氣孔率和抗壓強度隨發(fā)泡劑含量的變化曲線(石英砂含量70%，水料質(zhì)量比1.0)Fig.7 Porosity and compressive strength vs blowing agent content curves of ceramic samples (quartz sand content of 70%, water to material mass ratio of 1.0)

由圖8可以看出，當(dāng)發(fā)泡劑含量為0.8%時，試樣中的氣孔數(shù)量最多,成型效果較差,但孔從上到下逐漸由小孔過渡到大孔，呈現(xiàn)較好的孔梯度結(jié)構(gòu)。這是因為當(dāng)發(fā)泡劑過量時，漿料過度發(fā)泡使得坯體內(nèi)存在較多大氣泡，形成的氣孔壁較薄；在干燥時氣孔壁易破裂而形成更大的孔，甚至使坯體變形嚴(yán)重，燒結(jié)后陶瓷的成型性差。當(dāng)發(fā)泡劑含量為0.2%時，試樣的成型效果較好，且保持了一定的氣孔率。但綜合考慮氣孔率、抗拉強度和微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)泡劑含量為0.8%較為適宜。

3 結(jié) 論

(1) 隨著石英砂含量的增加，陶瓷試樣的氣孔率增大，宏觀上呈現(xiàn)出一定的孔梯度結(jié)構(gòu)；隨著水料質(zhì)量比的增加，試樣的氣孔率先增后降，氣孔變得均勻，裂紋減少；隨著發(fā)泡劑含量的增加，氣孔率增大。抗壓強度與氣孔率呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。

(2) 綜合考慮氣孔率、抗壓強度、顯微結(jié)構(gòu)等性能，在試驗條件下較佳原料配比為石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，水料質(zhì)量比為1.0，發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，制備得到石英質(zhì)孔梯度陶瓷的抗壓強度為6.18 MPa，氣孔率為63.5%，孔形較好。

參考文獻：

[1] 寧青菊,曹波俏,于成龍. 功能孔梯度陶瓷材料的制備及其特性[J]. 陜西科技大學(xué)學(xué)報, 2004, 22(5): 109-112.

[2] 韓永生, 李建保, 魏強民. 多孔陶瓷材料應(yīng)用及制備的研究進展[J]. 材料導(dǎo)報, 2002, 16(3): 26-29.

[3] BAI J H, WEI C C, MENG F T. Fabrication of porous Al2O3-MgAl2O4ceramics using combustion-synthesized powders containing in situ produced pore-forming agents[J]. Materials Letters, 2011, 65(11): 1559-1561.

[4] 易佑寧. 階梯狀孔梯度陶瓷材料性能的研究和探討[J]. 江蘇陶瓷, 2003, 36(3): 7-8.

[5] LOCS J, CIMDINA L B, ZHURINSH A, et al. Effect of processing on the microstructure and crystalline phase composition of wood derived porous SiC ceramics[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2011, 31(1/2): 183-188.

[6] 徐娜, 李晨希, 李榮德, 等. 功能梯度材料的制備、應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J]. 材料保護, 2008, 41(5): 54-57.

[7] ZHANG Y P, LI D S, ZHANG X P. Gradient porosity and large pore size NiTi shape memory alloys[J]. Scripta Materialia, 2007, 57(11): 1020-1023.

[8] 艾桃桃. 梯度多孔陶瓷的制備技術(shù)[J]. 中國陶瓷, 2011, 47(3): 53-55.

[9] ZHANG F, QI C X, WANG S, et al. A study on preparation of cordierite gradient pores porous ceramics from rectorite[J]. Solid State Sciences, 2011,13(5): 929-933.

[10] 王芳, 余思遠, 李垚圻,等. 工藝參數(shù)對石英質(zhì)多孔材料孔性能的影響[J]. 現(xiàn)代陶瓷技術(shù), 2016,37(6): 442-448.

[11] RAIMONDO M, DONDI M, MAZZANTI F, et al. Equilibrium moisture content of clay bricks: The influence of the porous structure[J]. Building and Environment, 2007, 42(2): 926-932.

[12] WANG F, SONG J G, XU M H, et al. Effect of preparation technology on properties of quartz pore gradient materials using low-grade quartz sand[J]. Key Engineering Materials, 2016, 697: 423-426.