碳化硅质远红外泡沫陶瓷过滤板的制备与性能研究

曾小军 刘维良 班晓磊 冯震乾

（景德镇陶瓷学院，江西景德镇 333001）

0 引言

目前泡沫陶瓷存在强度低、气孔易堵塞等问题，较好机械性能的SiC可有效地解决泡沫陶瓷强度低的问题，而且SiC的电热转化功能可解决再生问题，将SiC材质优良的性能与泡沫陶瓷的应用有机地结合，对于节能、环保来说意义重大。

SiC泡沫陶瓷除了具有泡沫陶瓷所共有的高气孔率、低密度、高比表面积等性质外，还具有由SiC这种材质所带来的机械强度高，化学性质稳定，高温性能好，热导率高、远红外线辐射率高和微波吸收能力强以及良好导电性等特点。广泛应用于熔融金属过滤、热传感器、催化剂载体、污水处理及汽车尾气净化等领域[1-6]。利用SiC的电热转化功能，加上泡沫陶瓷这种高气孔率载体的过滤作用，使SiC泡沫陶瓷被认为是用做高温液体过滤器的最佳候选材料之一[7]。同时，SiC在800℃～1600℃温度范围内远红外线全辐射率为0.90。

纳米远红外陶瓷粉是一种具有高的远红外辐射率的无机非金属微粉[8]。在高温区主要用于锅炉内涂层快速加热和烤漆、木材、食品的干燥等。在常温区主要应用于制造各种远红外保暖材料，如用于保暖内衣的远红外聚酯纤维、远红外农膜以及远红外功能陶瓷等[9]。同时，远红外陶瓷在处理污水方面效果良好。

基于SiC泡沫陶瓷和纳米远红外陶瓷粉的性能特点，本文通过配方中添加一定量的纳米远红外陶瓷粉和氧化铝粉，降低SiC泡沫陶瓷过滤板的烧结温度和提高抗压强度。同时，提高其处理污水的能力。通过大量的试验获得了制备碳化硅质远红外泡沫陶瓷过滤板的工艺技术，为批量化生产碳化硅质远红外泡沫陶瓷过滤板奠定了技术基础。

1 实验

1.1 原料

SiC粉，化学纯，宜兴市利尔耐火材料有限公司；远红外粉，工业纯，自制；Al2O3粉，工业纯，河南郑州；高岭土，工业纯，苏州；钾长石，工业纯，湖南；膨润土，工业纯，安徽休宁；NaOH，化学纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；羧甲基纤维素钠（CMC），化学纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 样品制备

浆料的基础料重量配比为：高岭土：钾长石：Al2O3：膨润土是12∶13∶5∶5，添加SiC的含量分别为45wt.%、50wt.%、55wt.%、60 wt.%。将各原料按上述比例称量后进行球磨，球磨后的浆料过250目筛。用2wt.%的NaOH溶液和2wt.%的CMC溶液预处理聚氨基甲酸乙酯泡沫，采用浸渍法，将已处理的聚氨基甲酸乙酯泡沫多次浸入浆料中反复辊压，使浆料比较均匀地涂覆在海绵体的三维网状骨架结构的表面，最后用两块平板挤出多余浆料，以防堵孔。将浸渍好的样品在室温下24h凉干，再经100℃烘干，放入电阻炉中烧成。

1.3 性能测试

采用西安力创材料检测技术有限公司的WDW-10型电子万能试验机测定样品抗压强度；采用北京瑞利分析仪器公司的WFZ800-D3B型紫外可见分光光度计测定样品处理10%的甲基橙溶液后的吸光度。

2 结果分析与讨论

2.1 样品的形貌分析

从图1和图2可知，样品规整度较好，孔筋大小均匀，测量得平均直径在1.5mm左右。由聚氨基甲酸乙酯泡沫的TG-DTA曲线[10]可知，泡沫在230℃开始失重，到600℃基本上不再变化，故在此温度范围需缓慢升温、保温，以保证样品不会在泡沫分解时变形和塌陷。

图1 样品的正面图Fig.1 The front view of samples

图2 样品的侧面图Fig.2 The side view of samples

图3 碳化硅含量与容重的关系曲线Fig.3 The relation curve of the SiC content and the bulk density

图4 碳化硅含量与抗压强度的关系曲线Fig.4 The relation curve of the SiC content and the compressive strength

图5 烧成温度与抗压强度的关系曲线Fig.5 The relation curve of the firing temperature and the compressive strength

2.2 碳化硅含量对样品容重和抗压强度的影响

图6 保温时间与抗压强度的关系曲线Fig.6 The relation curve of the holding time and the compressive strength

图7 远红外粉添加量与吸光度的关系曲线Fig.7 The relation curve of the far-infrared powder and the absorbance

从图3和图4可知，随着碳化硅含量的增加，样品的容重减小，抗压强度先增大后减小，SiC含量为50wt.%时，抗压强度为最大值。其原因是碳化硅含量增加后，相应的塑性原料减少，导致浆料的粘度降低，挂浆减少，从而导致样品的密度降低，最终使样品的容重减小。碳化硅具有较高的力学性能，故碳化硅的增加会增大抗压强度，但达到一定量后，样品难以烧结，导致抗压强度减小。

2.3 烧成温度和保温时间对样品抗压强度的影响

Gibson和Ashby[11]通过对泡沫材料建立一个简单的立方孔单元结构模型推导出开口气孔脆性泡沫（a≥L）强度的数学表达式：

其中，σft为多孔材料的力学强度，σs为孔筋强度，C为常数；a为宏观缺陷临界尺寸，对于多孔材料，气孔尺寸为临界缺陷尺寸的下限；L为棱长度，ρ 为多孔体的容重，ρs为孔筋密度。

由公式（1）可知，多孔陶瓷的强度受孔筋强度、气孔尺寸和体内气孔率的影响。从图5可知，随着烧成温度的提高，样品的容重减小，抗压强度先增大后减小。在1480℃时出现了最大值。结合公式（1）分析，当温度较低时，结合剂没有完全熔融，玻璃态物质较少，不能很好的将基体颗粒粘结在一起。随着温度的升高，结合剂粘结作用增强，玻璃态物质增多，能很好的粘结SiC颗粒，从而使孔筋处烧结密实，强度增大。同时，一定量的Al2O3的引入有利于在坯体中形成液相，通过液相溶解再沉淀机理达到致密化，使强度增大。当孔筋的强度增加到一定程度时，温度再提高，气孔率增大，导致强度减小。

当最高烧成温度为1480℃时，保温时间与抗压强度的关系曲线如图6所示。从图6可知，随着保温时间的增加，样品的抗压强度增大。究其原因，随着保温时间的增加，样品在烧结过程中吸收了更多的能量，促进样品的烧结致密化，导致抗压强度增大。当保温时间达到一定时，样品趋于烧结致密化，其抗压强度基本上不再增大。

2.4 远红外粉的添加量对污水降解能力的影响

综上所述，最佳工艺为50wt.%SiC，烧成温度1480℃，保温时间150min。采用此工艺，配方中分别添加0wt.%、5wt.%、10wt.%和15wt.%的远红外粉制备碳化硅质远红外泡沫陶瓷过滤板样品。将所得样品浸泡在10wt.%的甲基橙溶液中2h后测其吸光度，测试结果如图7所示。从图7可知，随着远红外粉的添加量增大，甲基橙溶液的吸光度减小。当添加量达到10wt.%时吸光度为0.051，再增加远红外粉的添加量，吸光度改变量较小。这表明远红外粉的添加量越大，所得的样品对甲基橙溶液的降解能力越强，对水的活化能力越强，且最佳添加量为10wt.%。

3 结论

（1）制备碳化硅质远红外泡沫陶瓷过滤板样品的最佳配方和工艺参数为基础料50wt.%，SiC 50wt.%；烧成温度1480℃，保温时间150min。

（2）远红外粉的添加使样品对污水的降解效果较好，最佳添加量为10wt.%，吸光度为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,马雷,周静一,等.碳硅石-莫来石泡沫陶瓷过滤器的研制.铸造,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刘维良,陈云霞.纳米远红外陶瓷粉末的制备工艺与性能研究.中国陶瓷,2002,(1):38

9李红涛,刘建学.远红外辐射陶瓷研究的现状及进展.陶瓷,2005,(4):49～51

10魏云静.泡沫碳化硅陶瓷的制备工艺与性能研究.陕西:西安科技大学,2004

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