烧结温度对SiC多孔陶瓷中过渡层的影响

王怡馨，邓湘云，吴　迪，王艳颖（天津师范大学 物理与材料科学学院，天津 300387）

烧结温度对SiC多孔陶瓷中过渡层的影响

王怡馨，邓湘云，吴迪，王艳颖
（天津师范大学 物理与材料科学学院，天津 300387）

摘要：为研究过渡层对多孔陶瓷材料的影响，在不同烧结温度下制备具有过渡层的SiC多孔陶瓷.陶瓷纤维过渡层中各成分（莫来石纤维∶硅酸铝纤维∶羧甲基纤维素钠（CMC）∶去离子水）的质量比为1∶1∶1.5∶70.采用甩膜法将过渡层浆料均匀涂覆在支撑体上，样品烧结温度分别为1225、1250、1275、1300和1325℃.利用扫描电子显微镜（SEM）、过滤压降测试系统和阿基米德排水法分别对烧结后样品的表面形貌、过滤压降和气孔率等性能进行分析.实验结果显示：烧结温度从1225℃升高后，样品气孔孔径逐渐增大，气孔的连通度越来越好，气孔率越来越大，并在烧结温度为1300℃时达到最佳值.当温度高于1300℃时，部分气孔堵塞，样品出现陶瓷化现象.随着温度升高，过渡层和支撑体整体的过滤压降先减小后增大，在1300℃时过滤压降最小.

关键词：SiC多孔陶瓷；过渡层；烧结温度；过滤压降；气孔率

在传统的碳化硅多孔陶瓷过滤器件中［1-2］，由于支撑体由大粒径陶瓷颗粒构成，造成支撑体气孔孔径比过滤膜所用陶瓷颗粒粒径大很多，导致部分过滤膜的颗粒填充到支撑体的空隙中，引起气孔堵塞，降低过滤效率且增大能量损耗［3］.因此，在制备碳化硅多孔陶瓷过滤器件时，在支撑体和过滤膜间添加一种有利于降低过滤压降的纤维过渡层［4-6］，可以减少工业损耗，有效降低工业成本［7-8］.这种含有过渡层的非对称结构多孔陶瓷在化工、环保和冶金等领域得到广泛应用［9-13］，但目前对于多孔陶瓷的研究多集中于对支撑体的研究［14-16］，对过渡层的研究较少.

本研究过渡层设计采用莫来石纤维和硅酸铝纤维作为基础成分，其中，莫来石纤维主要起纤维骨架的作用，熔点为1600℃；硅酸铝纤维的熔点为1100℃，作用是作为过渡层的粘结剂［17-19］.由于莫来石纤维和硅酸铝纤维的熔点不同，不同烧结温度会对2种材料的相变产生直接影响，从而引起多孔陶瓷过滤器性能的变化.本研究通过探讨烧结温度对过渡层形貌、过滤压降和气孔率的影响，以期为减少能耗、降低工业成本提供帮助.

1　实验

1.1样品制备

首先，在一定量的去离子水中加入硅酸铝纤维和磁子，用磁力搅拌器搅拌混匀并加热煮沸，待硅酸铝纤维完全浆化后加入莫来石纤维，继续搅拌，直至硅酸铝纤维和莫来石纤维完全浆化混合均匀.然后，加入一定量的羧甲基纤维素钠，使其混合均匀，并将混合得到的浆料加入研磨球进行球磨，控制球磨时间为2 h，转速设定为200 r/min.以上所加各组分质量比为m莫来石纤维∶m硅酸铝纤维∶m羧甲基纤维素钠（CMC）∶m去离子水=1∶1∶1.5∶70.混匀后取出浆料，用匀胶甩膜机将浆料甩在SiC多孔陶瓷支撑体上成膜，甩膜速率设定为100 r/min，时间为10～12 s.由于陶瓷纤维膜浆料的浓度较小，为了方便控制膜厚，可以进行多次烘干和甩膜，直至达到所需厚度（约60 μm）.最后，将坯体分别在1 225、1 250、1 275、1 300和1 325℃温度下烧结，得到具有过渡层的SiC多孔陶瓷.

1.2性能测试

采用日本日立公司生产的S4800/TM3000扫描电子显微镜对样品的形貌进行观察；运用过滤压降测试系统测试样品的过滤压降.实验开始前必须将所有仪表调零，并检查所有装置的气密性.然后将直径为5 cm的圆形多孔陶瓷试样放入特制样品架中，启动真空泵，随后调节气阀，使气体流量计中的浮子稳定在0.01～0.12 m3/h范围内的某一数值后，记录差压仪读数，读出的数值就是多孔陶瓷的过滤压降.

使用阿基米德排水法测试样品的气孔率.先用超声波清洗器清洁直径为5 cm的圆形试样10 min，再用电热恒温鼓风干燥箱将其烘干，然后将试样自然冷却，降至室温.随后用电子天平测量多孔陶瓷试样的干重m0，接着将样品放入去离子水中加热煮沸2 h，以保证在煮沸的过程中，去离子水能够充分进入到多孔陶瓷的气孔中，然后分别测量多孔陶瓷试样在去离子水中的浮重m1和湿重m2，最后根据公式：气孔率= （m2-m0）/m1×100%计算出多孔陶瓷样品的气孔率.

2　结果与讨论

2.1表面形貌

图1为不同烧结温度SiC多孔陶瓷过渡层的宏观形貌.

图1　不同烧结温度SiC多孔陶瓷过渡层的宏观形貌Fig.1　Macroscopic morphology of porous silicon carbide ceramics transition layer with different sintering temperature

由图1可以看出，烧结温度为1 225℃时，莫来石纤维整体纤维化比较明显，受保温时间限制，硅酸铝纤维的熔融状态一般，整体流动性较差，表面气孔很不明显.烧结温度为1 250℃时，莫来石纤维逐渐发挥作用，颜色开始略微泛黄.烧结温度为1 275℃时，整个过渡层越来越明显，气孔数量增多，表面纤维化更明显.随着温度进一步升高，硅酸铝纤维的熔融状态越来越强烈，流动性越来越好，同时莫来石纤维受温度的影响也凸显出来，表面的气孔增多，孔径增大.当烧结温度达到1 300℃时，整个过渡层表面的气孔数量达到最大值，同时在硅酸铝纤维和莫来石纤维共同作用下，过渡层表面颜色变深.当温度继续升高时，过渡层表面呈现出如图1（e）所示的现象，样品边缘部位出现凸起，且气孔堵塞，莫来石纤维出现团聚，表面整体光滑度下降，气孔数量减少，较烧结温度为1 300℃的样品颜色变深，且整个支撑体边缘出现形变，边缘变得粗糙.

不同烧结温度对应的SiC多孔陶瓷过渡层的表面扫描电镜结果如图2所示.

图2　不同烧结温度SiC多孔陶瓷过渡层的SEM图Fig.2　SEM images of porous silicon carbide ceramic transition layer with different sintering temperature

由图2可以清楚地看出SiC多孔陶瓷过渡层表面形貌的微观变化.烧结温度为1 225℃时，样品表面呈现出黏稠状的纤维化，纤维之间的粘结剂未展现出完全的流动性，整体纤维的分布较混乱，且气孔的孔径很小，过渡层与支撑体之间的连通度较差.随着温度的升高，气孔的连通度越来越好，并在烧结温度为1 300℃时达到最佳.当烧结温度达到1 325℃时，整个过渡层表面呈现陶瓷化现象，气孔数量明显减少，且气孔孔径越来越小，造成此问题的主要原因是作为粘结剂的硅酸铝纤维的流动性受温度的影响，当温度足够高时，硅酸铝纤维呈现出一定的助烧作用，造成莫来石纤维开始溶解并团聚，出现陶瓷化现象.

2.2过滤压降

烧结温度对纤维过渡层及支撑体整体过滤压降的影响如图3所示.由图3可以看出，烧结温度为1 225℃的过渡层连带支撑体整体的过滤压降最大，说明其通气性最差，烧结温度为1 300℃的样品的过滤压降最小.当烧结温度升到1 325℃时，样品的过滤压降反而增大，但仍小于温度烧结温度低于1 300℃的样品的过滤压降，这是因为1 325℃的烧结温度虽然造成样品表面出现陶瓷化，但其气孔总数量仍大于烧结温度为1 275、1 250和1 225℃的样品的气孔总数，且此时气孔与支撑体的连通度大于其他样品的连通度，所以整体过滤压降仍处于较低值.

图3　不同烧结温度SiC多孔陶瓷过渡层及支撑体整体的过滤压降情况Fig.3　Filter pressure drop of the transition layer and the support of porous silicon carbide ceramic with different sintering temperature

2.3气孔率

支撑体和含过渡层支撑体的气孔率随烧结温度的变化情况如图4所示.

图4　不同烧结温度下含过渡层SiC多孔陶瓷和无过渡层支撑体的气孔率Fig.4　Porosity of transition layer of porous silicon carbide ceramics and supporting body without transition layer with different sintering temperature

由于少量过渡层中的纤维会进入支撑体的空隙，因而造成含过渡层支撑体的气孔率有所降低.烧结温度为1 225℃时，粘结剂尚未完全融化，玻璃相生成较少，熔体黏度和黏性阻力值相对较大，晶界相的运动限制造成局部气孔堵塞，气孔率较低，空气无法顺利通过.随着烧结温度的升高，粘结剂熔化完全，生成了大量的玻璃相，孔隙连通性逐渐增加，气孔率在烧结温度为1 300℃时达到最大.随着烧结温度的继续上升，样品表面的过渡层纤维出现团聚，堵塞气孔的空隙，出现过烧现象，气孔数量减少，导致SiC多孔过滤陶瓷的压力降小于过滤压降的增加，同时伴随有气孔数量减少、气孔堵塞等现象.

3　结论

（1）烧结温度可以影响过渡层整体的表面形貌.从宏观来看，SiC多孔陶瓷颜色逐渐加深，气孔数量逐渐增加，气孔的连通度增大；温度大于1 300℃时出现过烧结现象，表层呈现出陶瓷化现象.

（2）烧结温度使过渡层和支撑体整体的过滤压降呈现出先减小后增大的趋势，在1 300℃时过滤压降最小.

（3）当温度从1225℃上升时，SiC多孔陶瓷气孔率逐渐增大，在1300℃时达到最佳值.当温度高于1300℃时，样品出现陶瓷化现象，部分气孔堵塞.

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（责任编校亢原彬）

第一作者：王怡馨（1986—），女，硕士研究生.

文章编号：1671-1114（2016）01-0028-04

中图分类号：O522+.2

文献标志码：A

收稿日期：2015-06-24

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA03A610）.

通信作者：邓湘云（1964—），女，教授，主要从事铁电、压电材料及多孔陶瓷方面的研究.

Effect of sintering temperature on the transition layer in porous silicon carbide ceramics

WANG Yixin，DENG Xiangyun，WU Di，WANG Yanying
（College of Physics and Materials Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Abstract：To study the impact of the transition layer of porous ceramic materials，porous silicon carbide ceramics with transition layer were prepared at different sintering temperatures.Ceramic fiber transition layers were composed of mullite fibres and aluminum silicate fibres.The mass ratio of ingredients（mullite fiber:aluminum silicate fiber:sodium carboxymethyl cellulose（CMC）:deionized water）was 1∶1∶1.5∶70.The transition layer pulp evenly coated on the supporting body by spin-coating，sintering temperature of the samples were 1 225，1 250，1 275，1 300 and 1 325℃.Surface morphology of the sample，filter pressure drop and porosity were analyzed by scanning electron microscope（SEM），the filter pressure drop test system，Archimedes drainage method respectively.The results show that pore size of the samples increase，the pore connectivity shows better，and porosity increases when the temperature rises from 1 225℃，the porosity reaches optimum value when temperature is 1 300℃.Partial pores are blocked and the samples appear ceramic phenomenon when temperature is higher than 1 300℃.Filter pressure drop of transition layer and support body first decreases and then increases with the rise of temperature，and the filter pressure drop reaches minimum when temperature is 1 300℃.

Keywords：SiC porous ceramics；transition layer；sintering temperature；filter pressure drop；porosity