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　　摘要 选用SiC作为骨料，长石和粘土组成的陶瓷结合剂和活性C作为成孔剂，对不同的烧成温度下SiC多孔陶瓷的气孔率和强度进行了研究。温度的提高使SiC多孔陶瓷的显气孔率降低，而体气孔率增大；气孔形状随陶瓷结合剂的高温性能变化而变化，1280℃烧成时的气孔形状多为圆形，尺寸分布较均匀；1240℃烧成时出现强度极大值，温度提高使固体气孔率增大而强度降低，但在大于1300 ℃时，由于SiC的高温氧化产物参与晶界相反应，局部界面结合强度大大提高，使SiC多孔陶瓷瓷体强度异常增大。
　　ABSTRACT SiC powder as the backbone together with the ceramic binder composed of felspar mixed with clay and pore—forming c“rbon were chosen，several firing temperatures were experimented，and sonae pororities and strengthes of the po-rous SiC ceramics were analysed．The higher the firing temperature，the lower the bending strength as well as the lower the ap-parent porosity whereas the higher the body porosity in the porous SiC ceramics．The appearance of pores were determined by the high—temperature features of the binder．The pores tend to be spherical and more homogeneous at 1280℃．Due to the oxi-dation of SiC above 1300℃and that the oxided products will react with the boundary constituents．the local boundary strength was increased。which accounts for the abnormal increase of the strength of the porous SiC ceramics．
　　主题词 SiC 烧成温度 气孔率 强度 晶界相
　　KEYWORD SiC firing temperature porosity strength grain boundary phase
　　1 引言
　　多孔陶瓷材料同其它多孔材料如多孔有机滤膜、玻璃纤维滤布等一样可以应用于医学临床的病毒、细菌等微生物过滤，超滤分离血清蛋白；水资源过滤净化及工业生产中的溶液(熔液)杂质过滤和高温烟尘过滤等，从而达到节约资源、保护环境的目的。对于较高压力、较高温度、较强腐蚀性等环境下的气固分离或液固分离过滤过程中，多孔陶瓷材料具有无可替代的优越性[1]。目前，国内外对采用Al203(刚玉)、MAS(堇青石)、钛酸铝等为骨料的多孔陶瓷材料的研究已经取得了一定进展[2，3]，本实验室选用SiC作为多孔陶瓷骨料和较低烧结温度的结合剂，通过对SiC多孔陶瓷材料的气孔率、气孔形状、强度等性能进行研究，结合SiC的高温氧化特性，为提高SiC多孔陶瓷的强度等性能提出一些理论参考。
　　2 实验过程
　　2．1 骨料粉体性能
　　本实验选用超细SiC微粉为骨料，基本粒度约12μm，最大颗粒约28／μm，最小颗粒约4μm。选用活性炭作为成孔剂原料。活性炭高温下燃尽产CO2，留下间隙，形成气孔。选用长石—粘土为主要成分的陶瓷结合剂，其主要作用是高温下熔融，产生玻璃相，将SiC骨料颗粒粘结在一起以提高多孔陶瓷的强度。实验结果证明，瓷体的气孔率与结合剂数量和烧成温度有关[4]。
　　2．2 实验方案
　　本实验的工艺流程为：70％WT的SiC骨料微粉、15％WT的陶瓷结合剂和15％WT作为成孔剂的活性C粉混合；快速研磨4h(XM行星式球磨机)；过筛；造粒；干压成型；坯体干燥；烧成，烧成温度分别为1160℃、1200℃、1240℃、1280℃、1320℃等，保温时间均为2h。
　　多孔陶瓷的显气孔率用蒸煮法测得，体气孔率通过排水法测定瓷体相对密度来确定，强度采用三点弯曲法测得。
　　3 实验结果与讨论
　　3．1 SiC多孔陶瓷的气孔率
　　多孔陶瓷的显气孔率是指开口气孔占材料总体积的百分率；而坯体内气孔总数(含开口气孔)占总体积的百分数叫做体气孔率。体气孔率与瓷体相对密度有关，瓷体相对密度越大，体气孔率越小。图1是不同烧成温度下SiC多孔陶瓷的显气孔率和密度变化结果。
　　
　　图1 中曲线表明，随着温度的升高，多孔陶瓷的显气孔率减小，而体气孔率增加。这种变化与陶瓷体内结合剂的高温熔融特性有关。
　　陶瓷结合剂是由长石和粘土组成的一组低共熔混合物，约在1200℃开始熔融。在1160℃的烧成温度下，由于只在长石与粘土颗粒接触的局部区域出现液相，陶瓷体内不存在晶界玻璃相的粘性流动，成孔剂氧化挥发气体沿坯体内在成型过程中残余的气体通道向表面扩散，形成较多的开口气孔(见图2)，表现出较高的显气孔率，此温度下，陶瓷体内的闭口气孔含量很少，多为坯体成型过程中的残余气孔；烧成温度变为1200℃时，陶瓷结合剂熔融，坯体内出现晶界玻璃相的粘性流动，填充了部分气孔通道，从而降低了显气孔率；温度进一步升高时，玻璃相的粘度下降，流动性增加，更多的贯通通道被堵塞，显气孔率进一步下降；但是，晶界相粘性流动的增加使得坯体内残余气体在扩散排除过程中不断偏转、闭合．形成闭气孔。同时坯体膨胀，密度降低，体气孔率相应增大。
　　
　　因此，烧成温度的提高降低了SiC多孔陶瓷的显气孔率，而使其体气孔率增大。
　　3．2 SiC多孔陶瓷的气孔形状
　　多孔陶瓷的气孔形状、孔径及分布直接影响着其实际应用效果。图3是不同烧成温度下样品表面形貌图。
　　图3中显示，1240℃烧成温度下，样品表面的气孔尺寸分布不均匀，小气孔在样品表面出口处偏聚，形成较大尺寸开口气孔，表面晶界相分布不均匀；1280℃烧成样品开口气孔多呈圆形，尺寸分布较均匀，存在大量结合剂熔融形成的晶界相，分布于SiC骨料颗粒之间； 1．320℃烧成时，样品的晶界相完全呈玻璃态，表面气孔形状不规则，尺寸分布趋于不均匀。
　　
　　理论表明，由粘土、长石组成的系统中。在1240℃时长石部分熔融。形成新的莫来石相，但由于玻璃相粘度大，增大了气孔排除阻力，在样品表面偏转，沿表面缺陷处聚集，形成大的开口气孔；温度的升高使结合剂中莫来石相数量增加，石英溶解。结合剂形成的液相数量增加，逐渐出现高温熔液的牯性流动，均匀地分布在骨料颗粒之间，将骨料颗料粘结在一起。高温下成孔剂原料活性C氧化生成的CO2-气体由体内排除．在熔融玻璃相中形成气孔通道，在样品表面形成开口气孔。根据表面张力及表面能有关理论，这样形成的气孔呈圆形，以维持最低的能量状态”1；1320℃烧成时，烧成温度的提高使结合剂的高温熔融粘度下降，流动性增加，表面能和界面能下降，高温液相与骨料颗粒表面的接触角减小而使液相扩展，从而使气孔形状变形。
　　因此，SiC多孔陶瓷的气孔形状随着结合剂高温性能变化而变化。1280℃烧成时，气孔分布较均匀，形状多为理想的圆形。
　　3．3 SiC多孔陶瓷的强度
　　理论表明，多孔陶瓷的强度受陶瓷体内气孔率的影响[6]；
　　σr=σ/σ0=exp(-np) (1)
　　式中：σr——多孔陶瓷的相对强度
　　σ0——致密样品的强度(理论强度)
　　P——陶瓷体内气孔的体积分数(体气孔率)
　　n——比例系数，与结合剂类型、高温熔融特性、晶界玻璃相与骨料颗粒之间的界面润湿性等因素有关，一般为5～7。
　　由式(1)可知，多孔陶瓷的强度随体内气孔率的升高而指数下降。根据图1中气孔率变化曲线，该实验条件下，SiC多孔陶瓷的体气孔率随烧成温度的升高而增大，因此强度应当逐渐降低。但是，实际实验结果与理论出现了差异(如图4)。
　　 　　
　　这种异常变化是陶瓷结合剂性能、坯体气孔率以及骨料颗粒性能综合作用的结果。
　　1160℃烧成时，由于结合剂未熔融，晶界相很少甚至不存在晶界玻璃相，不能将骨料颗粒粘结在一起而使其孤立分散在坯体内，因此强度很低；随着温度的提高，结合剂逐渐熔融，对SiC颗粒的粘结作用增强．从而使强度提高；到达1240℃时，由于坯体气孔率最低(如图1示)而使强度达到极大值；更高温度下，由于坯体气孔率的增加而使强度降低，变化趋势与式(1)的计算结果相一致；但在1320℃下，由于骨料SiC颗粒的表面氧化，产生Si吼，而SiO2参与晶界反应。从而使SiC颗粒与晶界玻璃相之间的局部界面结合强度显著提高，坯体强度异常增大。这种局部强化是SiC作为骨料的多孔陶瓷所具有的特殊现象。
　　4 结论
　　(1)烧成温度的提高，使SiC多孔陶瓷的显气孔率降低，而体气孔率增大。
　　(2)SiC多孔陶瓷的气孔形状，随着结合剂高温性能变化而变化；1280℃左右，开口气孔尺寸分布较均匀，且多呈圆形。
　　(3)1240℃烧成时，出现强度极大值；烧成温度的提高使多孔陶瓷的强度降低；而大于1300℃烧成时， SiC颗粒表面氧化使界面局部强化，陶瓷体强度显著提高。
　　参 考 文 献
　　1 沈君权.抗热震多孔陶瓷在高温烟气干除尘方面的应用．工业陶瓷， 1990(1)：12～20
　　2 史可顺．多孔陶瓷制造工艺且进展，硅酸盐通报，1994(3)：20～38
　　3 刘阳、郑乃章、陈虎争．精陶骨料多孔陶瓷的研制.陶瓷研究．1998，13 (4)：3～6
　　4 王连星、宁青菊、姚冶才.多孔陶瓷材料.硅酸盐通报，1998(1)：41～45
　　5 Kingery W．D.Bowen H．K．Uhlmann D．R .intuoduction to Ceramics，2nd edition，188～215
　　6 薛明值、划智恩、沈凯．钛酸铝多孔琦瓷的研制.中国陶瓷，1995，31 (2)：17～20