分層分區布料工藝制備輕質保溫發泡陶瓷的研究

趙 威，王 竹，戴永剛，張國濤，南 寧

(1.商洛學院，陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，商洛 726000;2.廣東金意陶陶瓷集團有限公司，佛山 528031; 3.華南理工大學材料科學與工程學院，廣州 510640)

1 引 言

近年來，隨著國家環境治理力度不斷加強，同時人們對生活、工作環境要求越來越高。采用固體廢棄物制備發泡陶瓷成為了研究熱點[1-5]。發泡陶瓷具有低密度、高強度、耐腐蝕、耐高溫、使用周期長、導熱系數低等優點。它既符合國家環保政策可變廢為寶，又可以改善生活、工作環境，作為新型隔墻板、保溫裝飾一體磚、外墻保溫板、裝配式建筑的市場潛力巨大[6-8]。目前全國超20家工廠(如廣西碳歌、廣東金意陶、承德新通源、一方科技等)投資建設發泡陶瓷生產線，發泡陶瓷將在未來建筑材料中具有舉足輕重的作用[9-10]。

而在發泡陶瓷的生產過程中，無論是隧道窯還是輥道窯都面臨燒成周期長、生產效率低的難題。目前眾多研究者集思廣益，尋求解決方案，總體來說解決方法分為兩種：一種是增加窯體長度，在不縮短燒成周期的條件下，提高發泡陶瓷在窯內的移動速度，從而達到提高生產效率的目的；二是增大爐腔體積，在不縮短燒成周期的條件下，增加產品體積或者產品層數，提高生產效率。這兩種方法均需擴大窯爐體積，增加設備投入，并未縮短燒成周期，降低成本。

本研究采用鉬尾礦為主要原料，以少量粘土、長石為輔助原料，加入SiC作為發泡劑。將不同發泡劑含量的原料進行分層分區布料，研究研究發泡劑含量、布料工藝對鉬尾礦基發泡陶瓷試樣性能的影響，研究結果可為縮短燒成周期提供一種可行途徑。

2 實 驗

2.1 實驗過程

本實驗采用商洛市洛南縣大量堆存的鉬尾礦為主要原料，加入鉀長石、粘土為輔助原料，經前期實驗得出制備鉬尾礦基發泡陶瓷的最佳原料配方為鉬尾礦80wt%，鉀長石10wt%，粘土10wt%[11]。將各原料分別粉碎磨細后過200目篩，然后按比例稱重，加入不同含量發泡劑，倒入(XMQ500/1000)型球磨機中，球磨3 h，倒出烘干后，再次粉粹磨細過200目篩，制得發泡劑含量不同的發泡陶瓷原料。將不同原料倒入Φ10 cm的圓柱形剛玉模具中，進行分層分區布料，最后放入馬弗爐中，8 ℃/min的升溫速率升至1000 ℃，再以不同升溫速率升至1140 ℃保溫20 min，隨爐冷卻后制得鉬尾礦基發泡陶瓷試樣。

2.2 測試方法

采用西派克公司的TX5300視頻顯微鏡對鉬尾礦基發泡陶瓷的宏觀形貌進行觀察采集；采用濟南恒瑞金試驗機有限公司的WDW-50型萬能試驗機對發泡陶瓷試樣的抗壓強度進行測試，樣品尺寸3 cm×3 cm×3 cm。發泡陶瓷試樣的體積密度基于阿基米德排水法采用福布斯MH-300A型密度儀進行測量。導熱系數采用和晟HS-DR-5型瞬態平面熱源法導熱儀進行測試，每組數據重復測量5次，取平均值。

3 結果與討論

3.1 發泡劑含量及升溫速率對發泡陶瓷氣孔尺寸的影響

本實驗在確定原料組成(鉬尾礦80wt%，鉀長石10wt%，粘土10wt%)的基礎上，分別加入0.3wt%、0.5wt%和0.7wt%的高純納米級碳化硅做為發泡劑。從室溫以8 ℃/min的升溫速率升至1000 ℃，然后以1 ℃/min的升溫速率升至1140 ℃，保溫20 min，隨爐冷卻制得三組發泡劑含量不同的發泡陶瓷試樣如圖1所示。

圖1 高溫段1 ℃/min燒制發泡陶瓷的宏觀形貌圖Fig.1 Macroscopic topography of foam ceramics sintered at 1 ℃/min in high temperature section

從圖1中可以看出：在高溫段，采用1 ℃/min升溫速率燒制的發泡陶瓷內部氣孔分布均較為均勻；隨著發泡劑含量的增加，平均孔徑增大。進一步為縮短燒成周期，將高溫段的升溫速率由1 ℃/min升至3 ℃/min，燒制的發泡陶瓷試樣如圖2所示。

圖2 高溫段3 ℃/min燒制發泡陶瓷的宏觀形貌圖Fig.2 Macroscopic topography of foam ceramics sintered at 3 ℃/min in high temperature section

從圖2中可以看出：隨著升溫速率的提升，三組發泡陶瓷試樣的平均孔徑均減小。這是因為隨著升溫速率的提高，發泡陶瓷試樣在高溫段停留時間縮短，發泡劑發泡不充分導致，但隨著發泡劑含量的提高，發泡陶瓷試樣內部的平均孔徑增大。從試樣整體來看，隨著升溫速率的提高，試樣中心和表面層的氣孔尺寸差異較大，這是由于升溫速率過快在試樣內部形成溫度梯度，導致發泡不均。為解決此問題，本實驗采用分層布料和分層分區布料來解決次問題，進而提高燒成周期。

3.2 分層布料對發泡陶瓷性能的影響

為縮短燒成周期，在高溫段采用3 ℃/min的升溫速率導致發泡陶瓷試樣內部受熱不均，進而導致發泡不均。本實驗將發泡劑含量不同的粉料進行上下兩層布料，將發泡劑含量較高的粉料布在下層，發泡劑含量較低的粉料布在上層，彌補受熱不均，改善發泡均勻性，進而燒制泡沫陶瓷，研究此布料方式對發泡陶瓷性能的影響。設計了發泡劑含量分別為0.3wt%/0.5wt%(a)、0.3wt%/0.7wt%(a)和0.5wt%/0.7wt%(c)的三組實驗，燒成后試樣的宏觀形貌如圖3所示。

圖3 上下兩層布料制備泡沫陶瓷的宏觀形貌圖Fig. 3 Macroscopic topography of foam ceramics prepared with upper and lower layers distribution

從三組試樣的宏觀形貌圖可以看出：采用上下兩層布料燒制的發泡陶瓷試樣分界線均較明顯，發泡劑含量為0.7wt%的粉末燒制的發泡陶瓷顏色較黑，主要是由于發泡劑SiC高溫分解碳化導致。處于底層0.7wt%的粉末燒制的發泡陶瓷平均孔徑依然較大，a組試樣(0.3wt%/0.5wt%)燒制的泡沫陶瓷氣孔較均勻。

從圖4中可以看出：隨著發泡劑平均含量的增加，泡沫陶瓷試樣的體積密度和抗壓強度均降低，這是與宏觀形貌中試樣的平均孔徑增大一一對應。因為發泡劑含量越多，高溫產生的氣體越多，導致泡沫陶瓷試樣的平均孔徑增大。從圖3中可以看出：a組試樣的平均孔徑小且氣孔均勻性較好，其抗壓強度較高。而c組試樣氣孔均勻性較差且平均孔徑較大，所以抗壓強度較低。以上三組發泡陶瓷試樣的導熱系數分別為0.20 W/(m·k)、0.16 W/(m·k)和0.15 W/(m·k)，隨著平均發泡劑含量的增多泡沫陶瓷試樣的導熱系數減小。平均孔徑增大、體積密度減少，導致泡沫陶瓷試樣的導熱系數減小。

3.3 分層分區布料燒制發泡陶瓷

采用上下兩層布料可解決發泡陶瓷縱向發泡不均問題，但中心區域的平均孔徑依然較邊緣區域小。本實驗將三種不同發泡劑含量(0.3wt%、0.5wt%、0.7wt%)的發泡陶瓷粉末，按照圖5的方式進行分層分區布料，將模具內部分為中心區域和外側區域，中心區域采用上、中、下三層布料的方式進行，粉料中的發泡劑含量從上到下依次增多；外側區域分為上下兩層，上層發泡劑含量為0.3wt%，下層發泡劑含量為0.5wt%。

圖4 上下兩層布料制備泡沫陶瓷的抗壓強度和體積密度折線圖Fig. 4 The compressive strength and bulk density of foam ceramics prepared with upper and lower layers distribution

圖5 分層分區布料三維模型圖Fig.5 Three-dimensional model of layered and partitioned distribution

采用該分層分區布料方式燒制的發泡陶瓷試樣的局部形貌如圖6所示，圖6(a)為該發泡陶瓷的底面形貌圖，圖6(b)為中心斷面形貌圖，圖6(c)為試樣外側形貌圖，從圖中可以看出：該方法制備的發泡陶瓷氣孔均勻性較好，有效解決了由于升溫速率過快在試樣內部形成溫度梯度，導致發泡不均的難題。該發泡陶瓷試樣的體積密度為0.44 g/cm3，抗壓強度3.9 MPa，導熱系數0.15 W/(m·k)，滿足輕質保溫墻體材料的使用要求。該布料工藝可以縮短燒成后期，提高發泡陶瓷氣孔均勻性。

圖6 分層分區布料方式燒制發泡陶瓷局部形貌圖Fig.6 Local topography of foamed ceramics by layered and partitioned distribution

4 結 論

本文以鉬尾礦為主要原料燒制發泡陶瓷，采用不同含量發泡劑原料分層分區布料，制得的鉬尾礦基發泡陶瓷氣孔分布均勻，有效解決了由于升溫速率過快在試樣內部形成溫度梯度，導致發泡不均的難題。該方法制備發泡陶瓷體積密度為0.44 g/cm3，抗壓強度3.9 MPa，導熱系數0.15 W/(m·k)，性能優異。本研究為發泡陶瓷規模化生產、縮短燒成周期提供一種可行途徑。