K2CO3和CaCO3对低温制备SiC多孔陶瓷性能的影响

徐德刊 光 亮 彭文博

（江苏久吾高科技股份有限公司，南京 211806）

0 引言

在化工、石油、冶金、电力及其它行业中，常产生高温含尘气体，随着环保排放标准的不断提高，对这些高温烟气进行气固分离提出更高的要求。由于工作温度高、气体腐蚀性强等特点，常见的布袋除尘效果差。而SiC多孔陶瓷由于耐高温、抗腐蚀、强度高、抗热震性好，在高温气固分离有广泛的应用，常见的是在空气气氛下烧结，以原位反应生成的莫来石、堇青石、SiO2等作为结合相，在低温下将SiC颗粒牢固地黏结在一起，从而获得低成本的 SiC多孔陶瓷。通过莫来石、堇青石等作为SiC的结合相，一般烧成温度在1300～1500 ℃。为了进一步降低SiC多孔陶瓷的烧成温度，有少量学者研究在更低温度下制备SiC多孔陶瓷。Li通过添加烧结助剂V2O5，在1100 ℃低温条件下制备了原位反应烧结SiC多孔陶瓷。Yang在1150 ℃以SDBS为助烧结剂在空气中制备SiC多孔陶瓷。Zhu以硅树脂为前驱体，在低于1100 ℃的温度下制备了SiC多孔陶瓷。

本文选择熔点低的K2CO3和CaCO3作为烧结助剂，K2CO3、CaCO3与SiC在空气气氛下氧化生成的SiO2在较低温度下生成低共融相，促进SiC多孔陶瓷在较低温度下烧成，从而制备出性能优异的SiC多孔陶瓷，可以用于高温气固分离。

1 实验

1.1 实验方法

以SiC(＞99%)、K2CO3(＞99.5%)和CaCO3(＞99.5%)为原料，按照如表1所述比例进行配比称量，将原料与锆球质量比为1：1加入到辊磨罐中，辊磨混合24 h后过筛，加入质量分数为10%的酚醛树脂溶液造粒，经120 MPa干压制成55*8*7 mm的长条生坯和直径为40 mm的圆形生坯，将生坯置于电热鼓风烘箱中80 ℃固化干燥，在500 ℃排胶2 h后，在空气气氛下1050～1300 ℃保温3 h烧成。

表1 各组成配比

1.2 测试与表征

采用阿基米德排水法测定样品的孔隙率，采用深圳三思试验仪器有限公司的万能试验机(跨距为30 mm，载荷为0.5 mm/min)测试样品三点抗弯强度，采用美国热电公司的ARLVXTRA X射线衍射仪对样品物相组成进行分析表征，采用达西定律测定气体渗透率，采用场发射扫描电镜对微观形貌进行分析表征。

2 结果与讨论

2.1 K2CO3和CaCO3添加量对抗弯强度和显气孔率影响

图1和图2分别为在空气气氛不同烧成温度下K2CO3和CaCO3添加量对SiC多孔陶瓷的抗弯强度和显气孔率的影响。由图可知，不添加K2CO3和CaCO3的样品在1300 ℃强度很低、孔隙率很高，有掉粉现象，这是由于在此烧成温度下，SiC原位氧化生成的SiO2不足以结合SiC颗粒，SiC颗粒松散堆积。随着K2CO3和CaCO3添加量的增加，K2CO3、CaCO3以及SiC表面氧化生成的SiO2在1050 ℃开始生成低熔点结合相，促进了SiC颗粒之间的结合，因此抗弯强度提高和显气孔率降低。此外，K2CO3和CaCO3在较低温度下分解释放出二氧化碳可以提高样品的孔隙率，兼具造孔作用。综上可知，当K2CO3和CaCO3添加量分别为1 wt%时，在空气气氛下1100 ℃保温3 h制备的样品综合性能较佳，抗弯强度为33.6 MPa，显气孔率为36.3%。

图1 K2CO3和CaCO3添加量对SiC多孔陶瓷抗弯强度的影响

图2 K2CO3和CaCO3添加量对SiC多孔陶瓷显气孔率的影响

2.2 K2CO3和CaCO3添加量对气体渗透率的影响

图3为不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃烧成的气体渗透率，从图中可以看出随着K2CO3和CaCO3添加量从1wt%增加到4wt%，气体透过率逐渐降低，这是由于随着K2CO3和CaCO3添加量的增加，生成的液相越来越多(从图5中可以看出)，当添加量达到4 wt%时，气体渗透率急剧降低。气体渗透率反映气体分离效果，所以K2CO3和CaCO3添加量1 wt%和2 wt%为宜。

图3 不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃烧成的气体渗透率

2.3 不同K2CO3和CaCO3添加量对物相组成的影响

图4为不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃烧结的XRD图。从图中可以看出，主晶相均为SiC和SiO2，未发现明显的第二相，这是由于K2CO3和CaCO3的添加量较少，即使产生新相也难以通过XRD识别出来，也可能新相衍射峰跟主晶相衍射峰重合。

图4 不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃烧成的XRD图

2.4 不同K2CO3和CaCO3添加量对显微结构的影响

图5为不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃烧结的SEM图。从图中可以看出，当不添加K2CO3和CaCO3时，SiC颗粒只是堆积起来，颗粒之间没有结合相，样品粉化，没有机械强度。随着K2CO3和CaCO3添加量的增加，SiC颗粒之间开始有液相生成，当K2CO3和CaCO3的总添加量为4 wt%时，生成的液相较多，这就很好地解释了气体渗透率急剧下降的原因。根据相图推测液相可能是K2CO3和CaCO3与SiC表面氧化生成的SiO2生成的三元低共融相，液相的生成加强了SiC颗粒之间的连接，从而使得SiC多孔陶瓷在1100～1200 ℃具有一定的机械性能。

图5 不同K2CO3和CaCO3添加量的SiC多孔陶瓷在1100 ℃烧成的SEM图

3 结论

通过研究了烧成温度、K2CO3和CaCO3添加量对SiC多孔陶瓷的抗弯强度、显气孔率、气体渗透率、相组成和显微结构的影响，得出如下结论：

(1)添加二元复合烧结助剂K2CO3和CaCO3与SiC在空气气氛下氧化生成的SiO2在较低温度下生成低共融相，促进SiC多孔陶瓷在1100 ℃～1200 ℃温度下烧成。

(2)当K2CO3和CaCO3添加量分别为1 wt%和1 wt%时，在空气气氛下1100 ℃保温3 h制备的样品综合性能较佳，抗弯强度为33.6 MPa，显气孔率为36.3%，气体渗透率为728 m3/(m2·h·KPa)。