电致发热碳化硅多孔陶瓷的制备及其性能研究

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多孔碳化硅陶瓷具有高的比表面积、耐高温、耐腐蚀、高气孔率等特点,使其在流体净化、过滤等诸多工业领域得到广泛关注,但在实际应用中,依然存在以下两方面的问题:一方面,使用几次后,出现孔道堵塞问题,使其丧失功能;另一方面,有时需要将多孔材料加热到一定温度使用。本文利用碳化硅的半导电特性,开发通电发热功能的多孔碳化硅陶瓷,即利用通电发热将陶瓷体加热到一定温度来分解孔道内的堵塞物,以此来解决上述问题。本文采用颗粒堆积法、有机网格堆积法和大孔径陶瓷制备法三种方法制备了电致发热多孔陶瓷。研究了各种工艺因素对多孔体性能的影响,重点讨论了原料的性质(配比、粒度、加入量等)与试样性能的关系;为了研究试样的导电性能,引入了氧化铝、氧化硼和氧化锆杂质,探讨它们对试样导电性能的影响。并主要应用XRD、SEM、数码相机、压汞法、煮沸法、欧姆法等手段,对多孔陶瓷的性能及微观结构作了分析和探讨,在此基础上对其电致发热功能进行了初步的评价,并对试样的导电机理进行了讨论。研究中发现,用颗粒堆积法制备的多孔陶瓷的性能与骨料和成孔剂的粒度、加入量有关。实验结果表明,当配比中SiC粒径为106μm,气孔率达最大值39.6%,抗压强度也达到最大值19.6Mp,电阻率较小。 用有机网格堆积法制备的多孔陶瓷的性能与烧成温度、烧成时间、原料粒度及含量有关。当烧结温度为2250℃,烧结时间为40分钟时,电阻率达最小值0.064Ω·cm;随级配中0μm~50μm的SiC颗粒加入量的增加,试样的吸水率和气孔率逐渐降低,电阻率持续增加;当SiC加入量增加到50%时,电阻率至最小值0.172Ω·cm;随成孔剂加入量的增加,气孔率和吸水率显著增加,试样的强度降低,电阻率增加。掺杂Al2O3、ZrO2和B2O3等结果表明,将它们单独加入时,ZrO2对试样的致密化无影响,而Al2O3和B2O3可以增加试样的致密度,Al2O3、ZrO2和B2O3的加入均使试样的电阻率降低,而ZrO2和B2O3使多孔碳化硅材料的电阻降低的幅度比AlO3的大;将它们两两复合加入时,电阻率比将它们单独加入时效果要差,且将它们复合加入时,试样的电阻率不稳定,机械性能也下降。 <WP=3>三种方法制备的多孔陶瓷的孔结构有明显差异,使得其性能也存在明显不同。对试样的应用性能测试结果表明,由于试样在不同方向上孔结构的不同,其透气性系数不同;由于SiC优异的抗热震性和试样所具有的孔隙特性使其具有优异的抗热震性能。对试样的电致发热功能测试结果表明,多孔陶瓷具有良好的导电性,将电能转化为热能的效率极高(可达99.9%)。其导电机制与晶体的性质、杂质性质、缺陷的类型及数量以及晶体中相的存在及存在形式、结合方式有密切关系。
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