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SiC多孔陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、良好的高温力学与化学性能稳定性等一系列优良性能,是用作高温气体过滤的理想材料。然而,由于Si-C键的强共价键特性,采用传统的工艺来制备SiC多孔陶瓷需要很高的烧结温度。本论文利用原位反应结合工艺在较低温度下制备莫来石以及堇青石结合的SiC多孔陶瓷,系统研究了原料组成及工艺参数对多孔陶瓷的烧结、相组成、微结构以及性能的影响。另外,对挤出成型制备SiC多孔陶瓷管的工艺进行了初步探索。
以SiC和Al2O3为主要原料,利用原位反应结合工艺制备了莫来石结合SiC多孔陶瓷,系统考察了SiC粒度以及Al2O3含量对多孔陶瓷的烧结和性能的影响。烧结温度为1550℃时,生成大量莫来石,可得到“颈部”发育良好的莫来石结合SiC多孔陶瓷。多孔陶瓷的开口孔隙率随Al2O3含量的增加有所降低,抗弯强度随Al2O3含量的变化趋势与SiC的粒度大小有关。SiC粒度为10μm、Al2O3含量为30wt.%时,得到的莫来石结合SiC多孔陶瓷的开口孔隙率和抗弯强度分别为26.6%和71.9MPa。添加预处理硅酸铝同时引入了铝硅酸盐玻璃和莫来石晶种,因而促进了莫来石化过程,SiC颗粒间的结合得到加强,多孔陶瓷的强度有所提高。加入5.0wt.%预处理硅酸铝后,莫来石化反应在1450℃下几乎完全进行,得到的多孔陶瓷具有更高的孔径均匀性和较大的平均孔径,多孔陶瓷的Darcy渗透率和非Darcy渗透率均增大。此外,添加预处理硅酸铝还使SiC多孔陶瓷的抗高温氧化性能与耐碱腐蚀性能得到明显改善,同时还保持了良好的抗热震性能。
通过原位反应结合工艺制备了堇青石结合SiC多孔陶瓷,考察了添加CeO2对碳化硅多孔陶瓷烧结性能的影响。未添加CeO2时,堇青石的生成温度在1250℃左右,随着温度升高,堇青石的生成量不断增加。烧结温度为1350℃时,得到了以堇青石为主要结合相的SiC多孔陶瓷。堇青石结合SiC多孔陶瓷具有良好的力学性能和抗热震性能,开U孔隙率为44.5%的多孔陶瓷的抗弯强度达26.0 MPa,经1000℃淬水后,多孔陶瓷的残余抗弯强度仍达11.2MPa。此外,堇青石结合SiC多孔陶瓷具有良好的抗高温氧化和耐酸腐蚀性能,但耐碱腐蚀性能相对较差。
添加CeO2显著促进堇青石的生成,因而促进了多孔陶瓷颈部的生长,使多孔陶瓷的力学性能得到改善。CeO2的添加量为2.0wt.%时,得到的堇青石结合SiC多孔陶瓷的开口孔隙率和抗弯强度分别为42.1%和35.3 MPa。添加CeO2还抑制了尖晶石的生成,降低了堇青石结合SiC多孔陶瓷中的残余方石英含量。因此,添加CeO2后得到的堇青石结合SiC多孔陶瓷具有更佳的抗热震性能。添加CeO2后,堇青石结合SiC多孔陶瓷的平均孔径有所增大,孔径更为均匀,渗透率得到提高。另外,添加CeO2使堇青石结合SiC多孔陶瓷的抗高温氧化性能得到改善,但耐碱腐蚀性能略有下降。
初步探索了挤出成型制备堇青石结合SiC多孔陶瓷管的工艺过程。多孔陶瓷管具有较为均匀的结构,其孔径分布范围较窄,孔隙之间具有良好的连通性。此外,挤出成型制备的堇青石结合SiC多孔陶瓷具有良好的力学性能,其开口孔隙率和抗弯强度分别为47.8%和28.8MPa。