氧化铝纤维对多孔陶瓷载体性能的影响

仲伯煊 戴子剑 金江 祝社民

(南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京210009)

0 引言

随着现代工业的飞速发展，各种工业废气、废物、废水排放量急剧增加，环境污染问题越来越严重，保护环境的理念越来越深入人心。多孔陶瓷作为一种绿色环保材料，应用的范围不断延伸，尤其是作为催化剂载体，近几年得到了飞速发展。但由于多孔陶瓷载体在成型的时候水分含量比较多，孔隙多，在干燥阶段易开裂，尤其当材料尺寸比较大的时候。作者在材料干燥阶段也遇到了同样的难题。有人[1]通过往集料加入适量增强体的方法，增加陶瓷的韧性，缓解陶瓷太脆的问题。故作者决定采用氧化铝质短纤维作为增强材料，添加少量添加剂（CMC，TiO2）以及造孔剂，制备氧化铝纤维增强多孔陶瓷。本文探讨了不同温度下氧化铝纤维含量对于多孔陶瓷的收缩率、气孔率、抗折强度以及干燥开裂的影响。

1 实验

1.1 材料制备

以二氧化钛、氧化铝等为集料，添加适量辅料按照一定的比例配料。然后按照质量分数0%、2%、4%、6%、8%往等质量集料中分别加入不同含量氧化铝纤维，按照料∶球=1∶1球磨1小时，过80目筛网。编号1#料～5#料。取1#～5#料等量，加入适量溶剂，混合均匀，陈腐24h,通过小型液压成型机挤压成棒型，烘干（100℃,12h），常压烧结至指定温度，保温2h，随炉冷至室温。再取1#～5#样等量，利用液压机干压成型，10Mpa保压1分钟，常压烧结，制得长方体试样尺寸为：68mm×7.5mm×5mm。样品烧结温度分别为750℃、800℃、850℃、900℃。

1.2 材料测试

利用试样干燥（烧结）前后长度差与干燥前长度的百分比计算试样的干燥（烧结）收缩率；利用Archimedes法测定试样的显气孔率；三点弯曲强度测定采用万能力学机，跨距为50mm，加载速率为0.5mm/min，每个试验点测试6个试样，结果取平均值。采用日本电子公司的JSM-5900型扫描电镜对试样断面进行分析。

2 结果与讨论

2.1 纤维含量对多孔陶瓷收缩率的影响

图1为不同温度和不同的纤维含量对于多孔陶瓷收缩率的影响。随着烧结温度的升高，材料的收缩率不断变大；随着纤维含量的增加，材料的收缩不断减小。前者是由烧结本质决定的—随着烧结程度的加深，颗粒接触面积扩大，颗粒中心距变小，材料收缩变大[2]。后者是由纤维所处的位置造成的。材料在成型完成时，由于机械力作用，颗粒之间只有点接触，坯体颗粒间含有大量空气的孔隙，纤维加入后，纤维就分布在这些孔隙中。烧结完成时，由于纤维的存在，本应消失的气孔并没有消失，故材料收缩率不断减小。

2.2 纤维含量对多孔陶瓷显气孔率的影响

图2是不同烧结温度和不同氧化铝纤维含量对样品显气孔率的影响。随着烧结温度的升高，材料的显气孔率变小；随着纤维含量的增加，材料的显气孔率先增加后减小。前者是由烧结本质决定的，后者是因为少量纤维的加入，材料颗粒之间易形成新的气孔。随着纤维含量的增加，纤维在材料中不易分散均匀，容易形成团聚，纤维团聚导致气孔率降低，故气孔率先升后降。

2.3 纤维含量对多孔陶瓷力学性能的影响

图3是不同纤维含量下烧结温度对多孔陶瓷力学性能的影响。随着烧结温度的升高，材料的抗折强度不断升高；随着纤维含量的增加，材料的抗折强度先增加后减小。前者是陶瓷烧结本质决定的，陶瓷烧结其实就是坯体由疏松到致密，强度由小变大的过程。后者是由于当纤维量很少的时候，纤维在材料中很易分散。在材料的裂纹处，纤维可以通过桥联或者裂纹偏转分散裂纹尖端的应力。样品在受到载荷后，基体在压力的作用下首先开裂，纤维与基体界面结合较强处，纤维和基体同时在基体的断裂应变下发生断裂，纤维的断裂将吸收一部分能量从而使材料的弯曲强度升高；纤维与基体结合较弱处，当裂纹从基体扩展到界面时，裂纹发生偏转，裂纹受的拉应力往往降低而使裂纹的扩展路径变长，也会使材料的弯曲强度变大[2]。

2.4 纤维对陶瓷干燥影响的分析

陶瓷坯体一般含有5%～25%的水份，坯体中水份可分为物理水（自由水和大气吸附水）和化学水（化学水在干燥过程中是不能排除的），陶瓷坯体的干燥其实就是排除自由水和吸附水的过程。作者所做的多孔陶瓷尺寸大，在挤压过程中由于原料、设备等原因，挤出的坯体中存在一定的内应力，当应力超过坯体的承受载荷时，坯体就会开裂。坯体经过挤压成型后，坯体内含有百分之几十的气孔，而且颗粒之间只有点接触，另外坯体尺寸大，故坯体中物理水总含量比较高，在干燥时易产生大的干燥收缩，导致坯体开裂。

图4 纤维在基体中桥联Fig.4 Fiber bridge in the original matrix

纤维的加入会使坯体强度增加，这是由于纤维加入后分布在坯体颗粒之间的气孔中，排出了部分空气，使坯体相对的密实；另外，纤维若分布于坯体的裂纹处，可以通过裂纹偏转或者纤维断裂来缓解内应力，从而提高了坯体的承受载荷，增强坯体的强度。

2.5 SEM表征效果

从图4观察可知，由于较大纤维的存在，裂纹在通过纤维是发生了裂纹的偏转，延长了裂纹长度，抵消了部分的内应力。下面的纤维位于裂纹上，是典型的桥联增韧，桥联增韧是指在基体出现裂纹后，纤维像“桥梁”一样牵拉两裂纹面抵抗外力，阻止裂纹进一步扩展，从而提高材料韧性和强度[3]。

从图5可知，大量的纤维由于分散不均匀，在材料集体中发生了团聚现象。此时纤维不能很好的分散在基体的裂纹处，起不到增韧的效果，这种现象对于材料韧性的增加是有害的。

图5 纤维的团聚Fig.5 Fiber reunion

3 结论

（1）大尺寸的多孔陶瓷坯体在干燥过程中因内应力易产生开裂，适量氧化铝纤维的加入能很好的解决坯体开裂的问题；

（2）多孔陶瓷的弯曲强度随氧化铝纤维含量的增加先增大后减小，当烧结温度为900℃，纤维含量为4%（wt）时，材料的弯曲强度最高达到4.19Mpa，比基体材料提高了35%。

1任强,武秀兰.短纤维增强硅酸盐陶瓷材料的研究.陶瓷科学与艺术,2004,(03):4～6

2张其土.材料科学基础.南京:华东理工大学出版社,2007

3贾成广,李文霞.陶瓷基复合材料导论.北京:冶金工业出版社, 1998

4邹东利,路学成.陶瓷材料增韧技术及其韧化机理.陶瓷,2007(6):8