高温气体过滤器支撑体的抗热震性能改进研究

刘广海 唐 辉 柳 溪 卜景龙

（1.唐山红玫瑰陶瓷制品有限公司特种陶瓷分公司，河北唐山063020；2.河北省无机非金属材料重点实验室，河北联合大学材料学院，河北唐山063009）

0 前言

高温气体过滤器是在高温条件下（1000℃）直接进行气固分离，实现气体净化的技术设备[1-4]。国内外在高温气体过滤器方面存在着若干需要解决的问题：高温过滤器的过滤元件（陶瓷支撑体与过滤膜）经受几百度温差的抗热震能力差、过滤元件对高温含尘气体的磨蚀抵抗能力较差、反向清灰时过滤元件强度较低等。因此，开发一种抗热震性能好的高温气体过滤器支撑体十分必要。

现有的以高铝矾土熟料为原料制备莫来石质陶瓷材料支撑体的热稳定性较差，很难满足高温过滤器工作条件要求。如：经受高温气体与低温反吹气体的急冷急热作用易于开裂；陶瓷支撑体难于满足气体反吹的强度要求等。因此各国对高温气体过滤器的研究重点主要集中于复合陶瓷材料支撑体与微孔陶瓷过滤膜的开发与性能改进[5-8]。

根据复合材料韧化强化原理，本试验采用高铝矾土熟料、合成钛酸铝、合成堇青石为主要原料制备莫来石-刚玉-钛酸铝-堇青石复合陶瓷材料，探索其作为高温过滤器支撑体的可能性[9-11]。研究复合材料的配料组成变化对复合陶瓷材料抗热震性能及强度的影响，研究探寻适宜的制备工艺参数，开发一种新的高温气体过滤器支撑体材料。

1 试验过程与方法

试验用高铝矾土熟料细粉、合成钛酸铝细粉、合成堇青石细粉的主要技术特性列于表1。复合陶瓷材料试样的配料组成列于表2。

试样制备方法是将表2各试样配方原料先行干混合，然后加入质量比为6%的PVA溶液（质量浓度2%）湿混，试样采用YE-30型液压式压力试验机成型，试样尺寸为50mm×10mm×10mm，成型压强为50MPa。试样干燥后经1360℃保温2h烧成。

表1 各原料的主要特性Tab.1 The main properties of raw materials

表2 复合材料试样的配料组成Tab.2 Material composition of composite samples

对烧后试样进行了显气孔率、体积密度、抗折强度、抗热震等性能测定，并对试样进行了物相XRD与显微结构SEM的分析。

2 试验结果与讨论

2.1 配料组成变化对试样烧结性能的影响

采用不同原料配比的烧后莫来石-刚玉-钛酸铝-堇青石复合材料试样的烧结性能（显气孔率、体积密度、抗折强度）测定结果示于图1～图3。

从图1～图3中莫来石-刚玉-钛酸铝-堇青石复合材料试样的烧结性能测定结果可见，当各试样中钛酸铝含量为10%时，随着高铝矾土含量的增加及堇青石含量的降低，试样的显气孔率增大，体积密度变小，常温抗折强度降低。上述现象与原料自身的烧结特性有关，堇青石、钛酸铝及高铝矾土这三种原料烧结中，堇青石具有较低的熔点（分解点）为1430℃，其对应的烧结温度也低，在试验温度1360℃条件下，堇青石可实现较充分的烧结。而高铝矾土熟料的莫来石与刚玉的熔点分别为1860℃及2050℃，相应的烧结温度也高。因此，随着试样中高铝矾土含量逐步增加、堇青石含量逐步减小，试样的烧结性能下降。

由图1～图3的高铝矾土熟料含量对试样显气孔率、体积密度及抗折强度的影响及材料费用的综合考虑，较为适宜的配料组成为高铝矾土熟料细粉含量50%、堇青石含量40%的MTJ-51试样，该试样的体积密度与显气孔率适中，抗折强度较高，材料具有较好的烧结性能，且价格低的高铝矾土熟料引入量较多、价格高的堇青石引入量较少。

2.2 配料组成变化对试样抗热震性能的影响

采用不同原料配比的烧后莫来石-刚玉-钛酸铝-堇青石复合材料试样的热震前及经历1次、3次及5次热震后的抗折强度测定结果示于图4。试样的抗热震性能测试方法是将试样置于温度为1100℃的电炉中，保温加热30分钟后取出，快速将试样浸入温度小于20℃的流动水中冷却，急热急冷1次，3次，5次后烘干测定试样的残余抗折强度。

由图4的高铝矾土熟料或堇青石的引入量对试样抗热震性能的影响可知，各试样的热震前初始抗折强度随高铝矾土熟料含量变化的影响较小，不同高铝矾土熟料或堇青石引入量各试样的初始抗折强度差值较小，且经1次热震后的残余抗折强度也较为接近。但各试样经历3次、5次热震后的残余抗折强度差别较大，高铝矾土熟料或堇青石的引入量对各试样抗热震性能具有较明显的影响。

在各配料组成试样中，以高铝矾土熟料含量30%及40%的试样MTJ-31、MTJ-41的抗热震性能相对较好，经3次热震后残余抗折强度较1次热震后降低幅度较小，试样MTJ-31经5次热震后残余抗折强度稍有降低，仍高达10.29MPa。试样MTJ-31、MTJ-41较好的抗热震性能可归结于试样中含量较多的堇青石的低热膨胀特性所致。

堇青石Al3Mg2(Si5Al)O18具有多元环晶体结构，该晶体结构导致其热膨胀具有非等轴热膨胀特性。在20～1000℃温度区间，堇青石a轴、c轴热膨胀系数分别为：αa=2.8×10-6/℃、αc=-0.2×10-6/℃，堇青石的表观热膨胀系数α=1.8×10-6/℃。试验研究的莫来石-钛酸铝-堇青石复合材料为莫来石、钛酸铝、堇青石的多相聚集体，试样MTJ-31、MTJ-41中的莫来石含量约30%～40%，钛酸铝约10%，堇青石约50%～60%。按照陶瓷材料多相聚集体热膨胀系数αp的加和公式计算可获得复合材料的热膨胀系数αp约为（2.28～2.50）×10-6/℃。因此配料中堇青石含量较多的试样MTJ-31、MTJ-41具有较低的热膨胀系数及较好的抗热震性能。

2.3 配料组成变化对对试样物相组成的影响

采用不同原料配比的烧后莫来石-刚玉-钛酸铝-堇青石复合材料试样MTJ-31、MTJ-41、MTJ-51的XRD测定结果示于图5～图7。

由图5～图7所示各试样MTJ-31、MTJ-41、MTJ-51的XRD图谱分析，堇青石的4条主衍射峰（10.01°、21.58°、28.35°、29.34°）的相对衍射强度如下：试样MTJ-31的相对衍射强度依次为1318CPS 、796CPS 、761CPS 、759CPS；试 样MTJ-41的相对衍射强度依次为 1013CPS、573CPS、578CPS、622CPS；试样 MTJ-51的相对衍射强度依次为 667CPS、382CPS、396CPS、423CPS。可知随着各试样 MTJ-31、MTJ-41、MTJ-51中的矾土熟料含量增大、堇青石含量减小，堇青石的4条主衍射峰的相对衍射强度逐步降低，符合试样配料组成中堇青石含量变化的情况。与此同时，各试样MTJ-31、MTJ-41、MTJ-51的XRD图谱中莫来石与刚玉的相对衍射强度随高铝矾土熟料含量的增加而逐步提高。

由上述XRD测定结果，各试样MTJ-31、MTJ-41、MTJ-51经1360℃保温2h烧结后的主要物相为堇青石、莫来石、刚玉及钛酸铝，各试样矿物的衍射峰强度变化与配料组成中各原料含量变化基本一致。

2.4 配料组成变化对试样显微结构的影响

本试验环节以试样 MTJ-31、MTJ-41、MTJ-51为例，对各烧后试样断口进行SEM显微结构图像分析，考察材料组成对显微结构的影响。试样MTJ-31、MTJ-41、MTJ-51的SEM照片分别示于图8～图10（显微图片的放大倍数为1000倍）。

从图8～图10的SEM照片分析，试样MTJ-31中大颗粒与细颗粒之间的结合程度较好，颗粒之间不存在较大的孔隙，试样的显微结构致密，烧结程度较高。试样MTJ-41中大颗粒与细颗粒之间的结合程度较好，颗粒之间存在有少量较大的孔隙，试样的显微结构较为致密，烧结程度较高。试样MTJ-51显微结构较为疏松，大颗粒与细颗粒之间的结合程度稍差，颗粒之间存在有较多的大尺寸孔隙，试样的烧结程度较差。

由上述各试样的显微结构分析可知，高铝矾土熟料含量少、堇青石含量高的试样MTJ-31显微结构最为致密，随高铝矾土熟料含量的增多、堇青石含量的减少，试样MTJ-41、MTJ-51的显微结构致密程度依次降低，这与图1～图3显示的试样MTJ-31、MTJ-41、MTJ-51的烧结情况基本一致。

由于MTJ-31试样的颗粒间孔隙均匀分布、颗粒间结合较紧密，当MTJ-31试样经历热震过程时，颗粒间因热膨胀及温度差容易形成“热失配裂纹”，由此MTJ-31试样可具有较好的抵抗热震应力的能力，这与图4所示的MTJ-31试样抗热震性能测定结果基本吻合。

3 结论

（1）当各试样中钛酸铝含量为10%时，随着高铝矾土含量增加及堇青石含量降低，试样的显气孔率增大，体积密度变小，常温抗折强度降低，显微结构致密程度减小。

（2）试样 MTJ-31、MTJ-41、MTJ-51 的主要物相为堇青石、莫来石、刚玉及钛酸铝，随高铝矾土熟料含量增大、堇青石含量减小，堇青石的4条主衍射峰的相对衍射强度逐步降低，莫来石与刚玉的相对衍射强度随高铝矾土熟料含量的增加而逐步提高，与各试样配料组成变化情况基本一致。

（3）试样MTJ-31烧结程度好，显微结构较为致密，抗热震性能相对较好，3次热震后残余抗折强度降低幅度小，5次热震后残余抗折强度仍高达10.29Mpa。采用试样MTJ-31配料组成制备的莫来石-刚玉-钛酸铝-堇青石复合材料是高温陶瓷过滤器支撑体材料有希望的材料选择。

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