轻质高强钇硅氧多孔陶瓷的可控制备、微观结构和性能

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多孔陶瓷具有孔隙率高、比强度高、密度低和热导率低的优点,其重要应用之一是作为高温绝热材料。但是,目前常见的多孔陶瓷绝热材料(SiO2、Al2O3、YSZ和莫来石多孔陶瓷等)存在一些不足之处,比如:Si02多孔陶瓷的强度较低而且工作极限温度低、A1203多孔陶瓷的热导率较高、YSZ多孔陶瓷的烧结收缩率很大而且密度较高,以及莫来石多孔陶瓷强度较低等。所以,研发综合性能更加优良的新型多孔陶瓷是未来的趋势。本工作选取熔点高、热导率极低且高温热学和化学稳定性好的γ-Y2Si207和X2-Y2Si05作为新型多孔陶瓷的基体材料,通过有机泡沫浸渍法和原位反应发泡-注凝法制各样品并详细表征其微观结构,深入研究所制各样品的微观结构与性能(压缩强度和热导率)间的关系及其高温性能。首次制备出γ-Y2Si2O7多孔陶瓷。以Y2SiO5粉末和硅溶胶为原料,采用有机泡沫浸渍法结合反应烧结过程成功制备了高孔隙率和纯相的γ-Y2Si207多孔陶瓷。制备的材料是白色开孔的网眼状多孔陶瓷,孔尺寸分布为200~700μm,孔道相互连通且孔筋分布均匀。增加涂覆浆料次数可显著提高样品的性能。另外,由PEI预处理海绵模板得到样品的性能最佳,如高孔隙率(84.5%)、相对较高的压缩强度(1.28MPa)和低密度(0.62g/cm3)。以Y203和Si02粉末为原料,N-羟甲基丙烯酰胺为单体,通过原位反应发泡-注凝法制备出具有独特多级孔结构的γ-Y2Si207多孔陶瓷,包括70~250gm的球形大孔和骨架上0.1~1.5μm的小孔。多级孔结构中小孔的形成机制主要来自于原位反应烧结过程,而且该结构的热稳定性极佳,可维持到1700℃。此外,改进制备工艺—使用无毒环保的明胶作为凝胶剂,通过原位反应发泡-注凝法合成出高性能的γ-Y2Si207多孔陶瓷。样品具有优异的力学和热学性能,当孔隙率为64.3~89.3%时,样品的压缩强度可达46.5~3.4MPa;对于孔隙率为57.2~90.0%的样品,室温热导率为0.918~0.147W/(m·K). γ-Y2Si207多孔陶瓷还具有优良的高温性能,包括良好的高温强度和较低的热循环烧结收缩率。所制备的γ-Y2Si207多孔陶瓷具有轻质、高孔隙率、高强度、低热导率和热稳定性高的优点。采用发泡-注凝工艺,通过研究制备途径(原位反应烧结和直接烧结法)和烧结温度对样品结构与性能的影响,发现了目前Y2Si05多孔陶瓷相关研究工作中存在较大烧结收缩率的原因:所使用的原料为精细的Y2Si05粉末,其烧结活性较高;另外浆料的固含量较低。随后提出了解决办法:以Y203和Si02粉末为原料,使用高固含量的浆料并通过原位反应发泡-注凝法来制备Y2Si05多孔陶瓷。获得的Y2Si05多孔陶瓷拥有优良的综合性能,如1.0~4.7%的低收缩率、0.79~0.88g/cm3的低密度、82.1-80.1%的高孔隙率和3.54~6.90MPa的高强度(烧结温度1350~1550℃。另外,样品还具有较低的热导率、优异的高温相稳定性和较高的热稳定性。采用无毒的明胶为凝胶剂,经原位反应发泡-注凝法制备出高性能的Y2SiO5多孔陶瓷,并研究了材料的结构与强度和热导率之间的关系以及其高温性能。样品具有独特的多级孔结构和相互连通的三维网络结构。Y2SiO5多孔陶瓷具有优异综合性能,如高孔隙率(60.2-87.1%)、线收缩率小(6.3~4.5%)、体密度低(1.74~0.52g/cm3)和压缩强度高(38.2~0.90MPa)。样品还有极低的热导率,室温下的热导率仅有0.513~0.119W/(m.K)(孔隙率:60.2~87.1%)。Y2SiO5多孔陶瓷还具有优异的高温热稳定性和高温力学性能。本论文发展出两类钇硅氧多孔材料的可控制备方法,通过调节工艺参数能够控制样品的孔径尺寸或者孔隙率(结构),从而获得不同性能的样品。制备的钇硅氧多孔陶瓷具有轻质、低热导率、高孔隙率、高强度、优良的热稳定性,以及优异的高温力学性能的优点,可成为应用前景广阔的高温绝热材料。
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