课程设计报告 - 图文

《先进陶瓷材料》

课 程 设 计

名 称 石英多孔材料的烧结工艺设计 专 业 姓 名 年 级 学 号 任课教师

课程成绩

二零一五年五月

先进陶瓷材料课程设计

目 录

第一章 文献综

述···································································································1

1.1 多孔材料的用途 .................................................................................................................... 1 1.2 多孔材料的制备工艺 ............................................................................................................ 1 1.3多孔材料的发泡技术 ............................................................................................................. 5 1.4石英砂的用途......................................................................................................................... 6 1.5研究的内容、目的与意义 ..................................................................................................... 6

第二章 实验方案设

计·································································································8 2.1 实验设

备···································································································8 2.2实验过

程··································································································11 第三章 数据分

析·································································································14

3.1 烧结温度对石英砂多孔砖性能影响 .................................................................................. 14 3.2烧结方式对石英砂多孔砖性能影响 ................................................................................... 17

第四章 结

论································································································21 参考文

献·································································································21 第五部分 课程启发及感悟 ....................................................................................... 23

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第一章 文献综述

1.1 多孔材料的用途

多孔材料的研究范围很广，目前研究得较多的有各种无机气凝胶、有机气凝

胶、多孔半导体材料、多孔金属材料等。这些材料的共同特点是密度小，孔洞率高，比表面积大，对气体有选择性透过作用。孔径的可调性拓宽了多孔材料的应用范围。具有选择透过性的多孔膜将成为化学工业新一代分离系统的首选材料，还可用作能源工业中的热气体过滤器，多种环境净化技术中的分离介质等。新的运输技术，如燃料电池驱动的车辆，也需要用有效的多孔材料作为电极、分离器和气体存储介质，此外多孔材料还可用作下一代高性能电池的电极和分离器。采用低介电常数的多孔基片能降低阻容时间常数，大大提高信号的处理速度。1993年5月，美国一个多孔材料研究工作组确立了以下十个方面作为多孔材料在工业生产上的可能应用:①高效气体分离膜;②化学过程的催化膜;③高速电子系统的衬底材料;④光学通讯材料的先驱体;⑤高效隔热材料;⑥燃料电池的多孔电极;⑦电池的分离介质和电极;⑧燃料(包括天然气和氢气)的存储介质;⑨环境净化的选择吸收剂;⑩可重复使用的特殊(HEPA-型)过滤装置[3]。

1.2 多孔材料的制备工艺

多孔材料是20世纪发展起来的崭新材料体系,它包括金属多孔材料(即常说的泡沫金属)和非金属多孔材料(如泡沫塑料和多孔玻璃等)。其显著特点是具有规则排列、大小可调的孔道结构及高的比表面积和大的吸附容量,在大分子催化、吸附与分离、纳米材料组装及生物化学等众多领域具有广泛的应用前景[4]。

多孔材料是当前材料科学中发展较为迅速的一种材料。包括各种无机、有机气凝胶、多孔半导体材料、多孔陶瓷、多孔金属材料等。这些材料具有这样一些特点：低的密度，高的孔隙率，大的比表面积，并且可以有选择地透过流体。多孔金属是多孔材料的一种，是对含孔隙金属的统称。英文名称为“porous metal”而有时对发泡法制备的多孔金属则习惯上称为泡沫金属(foamed metal)[5]。

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到目前为止, 国内外对多孔泡沫金属的制备工艺方面的研究较多, 归纳起来主要有以下几种: (1) 铸造法；(2) 粉末冶金法；(3) 金属沉积法；(4) 纤维烧结法。各种工艺方法的原理如下:

（1）铸造法 该方法是由熔融金属或合金冷却凝固后形成的多孔泡沫金属, 随不同的铸造方法可覆盖很宽的空隙范围和具备各种形状的空隙。与其他各种工艺方法相比, 该方法具有生产工艺简单、成本较低等优点, 便于工业推广应用。在铸造法中又可分为四种方法: 直接发泡法、加中空球料法、渗流铸造法和熔模铸造法。

（2）粉末冶金法 该方法是将金属粉末与发泡粉末按比例配制并混匀, 在适当的压力下将其压成具有气密结构的预制品。然后将压好的预制品进一步地加工, 如轧制、模锻或挤压, 使之成为半成品, 再将此半成品放入所需零件形状的钢模内, 加热到接近或高于混合物熔点的温度, 使发泡剂分解释放气体, 使预制品膨胀, 从而形成多孔泡沫金属。用此法制备的多孔金属, 孔径大都小于0.13mm , 孔隙率一般不高于30% ,但也可通过特殊的工艺方法制成孔隙率大于30% 的产品。此方法虽然工艺较为复杂, 但产品质量高, 性能稳定, 便于商业化生产, 从而得到迅速发展。

（3）金属沉积法 该方法是由原子态金属在有机多孔基体内表面沉积后, 去除有机体并烧结而成, 由此方法所获得的多孔泡沫金属的主要特点是孔连通, 孔隙率高(均在80% 以上) , 具有三维网络结构。这类多孔金属材料是一种性能优异的功能结构材料, 但其强度性能受到一定的限制。目前在国内外均大批量生产, 其典型产品是泡沫镍和泡沫铜。

（4）纤维烧结法 该方法是使用金属纤维来代替粉末颗粒制造多孔金属，由此方法制备的多孔金属其渗透性要比粉末法制取的高几十倍。此外它还具有较高的机械强度、抗腐蚀性能和热稳定性能。可用于许多过滤环境苟刻的行业, 被称为第二代多孔金属过滤材料[6]。

多孔陶瓷是由美国于1978年首先研制成功的。他们利用氧化铝、高岭土等陶瓷材料制成多孔陶瓷用于铝合金铸造中的过滤，可以显著提高铸件质量，降低废品率，并在1980年4月美国铸造年会上发表了他们的研究成果。此后，英、

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俄、德、日等国竞相开展了对多孔陶瓷的研究，已研制出多种材质、适合不同用途的多孔陶瓷，技术装备和生产工艺日益先进，产品已系列化和标准化，形成为一个新兴产业。多孔陶瓷首要特征是其多孔特性，制备的关键和难点是形成多孔结构。随着对多孔陶瓷工业需求的增多,人们已经发展了多种传统的多孔陶瓷制备工艺,如添加造孔剂法、发泡法、有机泡沫浸渍法、溶胶-凝胶法等;同时,也不断的涌现出许多新颖的制备工艺。

添加造孔剂工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，然后经过烧结，造孔剂离开基体而成气孔来制备多孔陶瓷。虽然在普通的陶瓷工艺中，采用调整烧结温度和时间的方法，可以控制烧结制品的气孔率和强度，但对于多孔陶瓷烧结温度太高会使部分气孔封闭或消失，烧结温度太低，则制品的强度低，无法兼顾气孔率和强度，而采用添加造孔剂的方法则可以避免这种缺点，使烧结制品既具有高的气孔率，又具有很好的强度。杨建峰等通过添加少量碳粉制备出低收缩、高孔隙率氮化硅多孔陶瓷。吴建峰等利用该工艺制得多孔磷酸三钙生物陶瓷。薛友祥等以木炭为造孔剂制得饮用水净化用高性能微孔陶瓷滤芯[7]。

发泡法是在原料中添加发泡剂，利用发泡剂在热处理时形成挥发性气体，而产生泡沫的特性来造孔。常用的发泡剂有碳酸盐、氢氧化钙、硫酸盐和双氧水等。发泡法具有较易获得一定形状、组成和密度的多孔陶瓷的优点，特别适用于制备闭孔陶瓷。其缺点是工艺较复杂，发泡剂的剂量通常需要靠经验调节而非精确量化，这就会造成产品性能规格的不一致。Vujir等将堇青石粉料与作发泡剂的高分子化合物混合制备成浆料，在氮气的氛围中采用机械搅拌的方法使其发泡，并制坯成型，干燥烧结后获得了汽车尾气过滤器使用的多孔陶瓷。Altinkok等将原料配制成悬浊液而非泥浆，巧妙地利用水沸腾产生大量气泡的性质造孔，制备出最大孔隙率为95%的A12O3／SiC多孔陶瓷。

有机泡沫浸渍法是1963年由美国学者Schwartzwalder等发明的，其原理是利用有机泡沫特殊的三维开孔网状骨架结构做模板，将陶瓷浆料均匀涂覆在其表面形成涂层，干燥后烧掉有机泡沫，从而获得具有有机泡沫一次反型结构的多孔陶瓷。该方法特别适合制备具有很高显孔隙率的多孔陶瓷，产品孔隙分布均匀，成本低廉，工艺过程简单，很适于工业化大生产。但是，有机泡沫的烧除会在多

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孔陶瓷内形成少量碳残留，从而降低多孔陶瓷的强度；燃烧过程中所产生的有害气体对环境也会造成污染。常用的有机泡沫材料一般是通过发泡工艺制作的聚合海绵，具有三维开孔的网状结构以及一定的强度和亲水性能，材质通常为聚氨酯、聚氯乙烯、纤维素等。陶瓷浆料主要由陶瓷粉料、溶剂和添加剂组成。溶剂一般是水，有时也采用乙醇、丙酮等有机溶剂。添加剂包括粘结剂、流变剂、分散剂和表面活性剂等。

溶胶-凝胶法是制备纳米级孔隙的多孔陶瓷薄膜的重要方法，其原理是利用金属醇盐的水解反应、高分子化合物的缩聚反应或者硝酸盐、硫酸盐、氯化物等无机盐的水解反应形成溶胶，并在溶胶的凝胶化过程中，胶体粒子问相互连接形成了网状结构，网状的孔隙中充满了溶液，溶液在干燥、烧结过程中挥发，得到具有纳米级孔隙的多孔陶瓷薄膜。由于溶胶的黏度对产品的性能影响很大，因此应严格控制溶胶的含水量和pH，pH常由添加硝酸、盐酸、氨水等具有挥发性的酸类或碱类来控制。该法具有产品厚度均匀、孔径分布窄，膜层之问不易出现裂纹，组分和结构可根据需要进行设计等优点，在气敏传感器、透明导电薄膜、电池电极、光催化剂等研制方面有着广泛的应用。

自蔓延高温合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis，简称SHS)制备多孔材料的历史仅有20多年，相对于传统的颗粒堆积法、挤压成型法、发泡法等工艺，SHS合成多孔陶瓷的技术尚未成熟。SHS是利用化学反应自身的生成热来实现材料的合成。由于SHS过程中产生高的反应速率以及高的温度梯度，致使生成物的晶体点阵具有高密度的缺陷，易生成多孔的骨架结构。尽管已合成出的多孔陶瓷的化学成分、反应温度不同，反应机理及产物的应用等方面也都不尽相同，但各国学者所采用的制备工艺却大同小异，制备过程可分为以下5步：1) 将粒度不同的原料粉末分别干燥，而后在球磨罐内长时间球磨，使粉料的粒度接近，混合均匀；2) 将混合粉料压制成型制成坯料，坯料的孔隙率依据原料粉体的性质和产物孔隙率的设计要求等因素而定，坯料的形状多为规则的圆柱形或立方体形；3) 将坯料置于石英管反应釜内，自上而下通入惰性气体作反应气氛，常用的为Ar，并采用热电偶、或红外线等多种形式对坯料进行预热；4) 对坯料点火，引发SHS，点火的方式有多种，常采用的有电热爆点火、辐射点火和燃烧波点火；5) 反应结束后,冷却石英管反应釜，在反应釜内获得多孔陶

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瓷[8-11]。

1.3多孔材料的发泡技术

发泡方法有化学发泡法和物理发泡法。

1 化学发泡法 化学发泡法有两种:热分解型发泡法和反应型发泡法 （1）热分解型发泡法 常见的热敏性发泡剂有无机发泡剂和有机发泡剂。无机发泡剂一般为吸热型发泡剂:如碳酸氢钠、碳酸铵、碳酸氢铵;有机发泡剂为放热型发泡剂:如偶氮二甲酞胺(AC)、二亚硝基五甲撑四胺(DPT)、4,4’-氧代双苯磺酞阱(OBSH)、2,2-偶氮二异丁腈(AIBN)。前者在预硫化之前就开始发泡,因此孔眼在尚未牢固的情况下均遭破坏而形成开孔。后者通常是指具有粉状特征的化学发泡剂,因而得到的海绵体孔眼细小；放气量大,释放的气体以氨气为主;分解温度稳定，品种多，大多数产品具有易燃性。在当前的泡沫橡胶制品中基本都采用有机发泡剂发孔,以便制得优质泡沫材料。

（2）反应型发泡法 两种组分发生化学反应并放出气体可使物料发泡：如异腈酸醋与水混合后生成二氧化碳和胺。缩合型脱氢RTV泡沫硅橡胶的发泡机理是：用羟基硅氧烷与含氢硅氧烷反应,获得发泡气体(H2),进而形成泡沫材料。

2 物理发泡法 物理发泡方法亦有两种发泡方式,一种是将惰性气体或将低沸点液体(如烷烃、含氯的氟碳化合物)加入待发泡物料中。另一种较常用的方法是填充可溶性固体颗粒或可膨胀微球形成泡沫。

（1）填充可溶性固体颗粒发泡法 可溶于溶剂或可升华的中性无机试剂,如氯化钠、硝酸钠、氯化铵、尿素等填充在硅橡胶中,硫化后,用水洗涤,除去硫化胶中的可溶物,最后干燥获得泡孔结构。该法将硫化交联与发泡成孔分布进行,孔隙度及开孔率都由成孔剂的用量、形状决定,便于设计配方、工艺较易控制,有利于制品的高性能化,但存在可溶性物质残留和加工繁琐的问题。

（2）填充可膨胀微球发泡法 可膨胀微球是最近几年出现的橡胶泡沫成形新技术,主要用于加工外形规整、外观质量要求高的泡沫制品。微球壳壁材料大多是热塑性的丙烯酸树脂、聚碳酸脂或硅树脂等。球壳中可包含氦气、氮气等气体也可包含低分子液体。微球的软化点一般在40~200℃，粒径大小为0.1~500μm。硅橡胶中加入可膨胀热塑性树脂微球(或预膨胀的聚合物微球)后,高温下微球长

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大,硅橡胶硫化,便形成了包含聚合物空心微球的泡沫硅橡胶材料[12]。

1.4石英砂的用途

石英砂是一种应用非常广泛的非金属矿物原料，大量用于铸造工业、玻璃制造、陶瓷、建筑工业及塑料和填料工业；高质量的石英砂还应用于光学玻璃、航天、航海、军事工业和尖端科学仪器等工业部门。石英砂颗粒大小、砖坯含水率、砖坯pH值、增塑剂含量对砖坯塑性具有影响，因利用石英砂并采用可塑成型制备高性能的烧结砖。

宋杰光[13]等利用石英砂制备高性能石英砂烧结砖，通过对原料和砖体物相分析、砖体的显微结构分析以及砖体的物理性能分析，研究温度制度对砖体性能的影响。结果表明，在1100℃保温1h烧制的砖体物理性能最佳，密度2.4715g/cm3，抗压强度为35.0522MPa，达到烧结砖的国家标准。

石英砂所具有的独特的物理、化学特性，特别是其内在分子链结构、晶体形状和晶格变化规律，使其具有的耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀、压电效应、谐振效应以及其独特的光学特性，在许多高科技产品中发挥着越来越重要的作用。

石英砂是重要的工业矿物原料，广泛用于玻璃、铸造、陶瓷及耐火材料、冶金、建筑、化工、塑料、橡胶、磨料等工业应用领域。玻璃、平板玻璃、浮法玻璃、玻璃制品（玻璃罐、玻璃瓶、玻璃管等）、光学玻璃、玻璃纤维、玻璃仪器、导电玻璃、玻璃布及防射线特种玻璃等的主要原料；陶瓷及耐火材料；瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料；冶金、硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂 建筑 混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即水泥标准砂）等。

1.5研究的内容、目的与意义

由于国内外的墙体材料工业迅猛发展，烧结黏土砖消耗了大量的土地资源，国家将节约土地资源提上了日程，于是国内外纷纷出现各种各样的非黏土烧结砖或黏土烧结空心砖，以便达到节约土地的目的。利用低品位石英砂研制石英砂烧结砖，同时达到充分利用低品位石英砂矿物和节约黏土资源的目的，在国内外尚

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未见报道。由于石英砂属于低塑性原料，即使对其改性，塑性也难达到烧结砖成型时的要求，因此，需添加合适的黏土改善瘠性石英砂的塑性，以达到用石英砂制备的烧结砖成型时所需具备的塑性。

本研究了利用低品位石英砂在不同工艺条件下制备的高性能石英砂烧结砖的显微结构,并通过显微结构与烧结温度和烧结方式的关系分析,确立该烧结砖得到最高性价比时的最佳工艺条件。利用石英砂制备高性能烧结砖，相比石英砂用于建筑用沙和烧结粘土砖而言，既提高了石英砂的性价比，又节约了人类赖以生存的土地资源，这样不但对人类可持续发展有利，而且有很高的经济价值。

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第二章 实验方案设计

2.1 实验设备

本文实验采用的主要设备如表2-1所示。

表2-1 实验所采用的主要设备

仪器 行星式球磨机 电磁调速电机控制混料机 烘箱 硅碳烧结炉 真空碳管炉 微机控制电子式万能试验机 扫描电镜 QM-BP JQIA-90 型号 用途 物料的细化 混料 烘干试样 高温烧结 真空高温烧结 抗压强度的测量 观察形貌 RHY202-3 SX-8-16 ZT-50-22 WDW-E100D TESCAN VEGA Ⅱ 电磁调速电机控制器型号：为卧式筒形旋转装置（图2-1）。它主要由发动机，混料罐和旋转速率调节开关等构成。其工作原理为将装好料的混料罐夹紧在发动机夹头上，然后调节发动机转速，混料罐内装不同规格陶瓷球，罐体转动产生离心力将陶瓷球带到一定高度后落下，对物料产生研磨和混合作用。 图2-1 JQIA-90 型混料机

电热烘箱型号：是利用电热元件所发出的辐射热来烘烤物品的电热器具(如图2-2)。根据烘烤物品的不同需要，电热烘箱的温度一般可在室温-300℃范围内调节。电热烘箱主要由

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箱体、电热元件、调温器、定时器和功率调节开关等构成。其烘箱箱体主要由外壳、中隔层、内胆组成三层结构，在内胆的前后边上形成卷边，以隔断腔体空气；在外层腔体中充填绝缘的膨胀珍珠岩制品，使外壳温度大大减低；同时在门的下面安装弹簧结构，使门始终压紧在门框上，使之有较好的密封性。

图2-2 RHY202-3型烘箱

用硅碳棒作为发热元件的硅碳炉为本文烧结实验设备，如图2-3所示，具有大惯性、大滞后、热惯性随时间变化等特点，在控温过程中难以精确建立硅碳炉的数学模型，通常采用模糊控制方法，以便达到预期的控制指标。在硅碳电炉中，除炉膛容量、隔热保温材料的性能是影响电炉性能的重要因素以外，硅碳材料的物理性能也是决定硅碳炉性能的重要因素。

图2-3 SX-8-16型硅碳棒炉

图2-4此产品为真空碳管烧结炉为上海晨华电阻有限公司产品，系为结构陶瓷、功能陶瓷、金属基或陶瓷基复合材料的材料制备反应烧结，也可用于高温成形。最高温度：2400℃，极限真空：10-3Pa，工作区尺寸：120×120mm，额定功率：50KW。

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图2-4 ZT-50-22真空碳管炉

微机控制电子式万能试验机：该设备采用双空间门式结构，上空间拉伸、下空间压缩、弯曲。主机部分由两根导向立柱、上横梁、中横梁、工作台组成落地式框架，调速系统安装在工作台下部。采用高精度、高稳定性的轮辐式拉压应变传感器，配以高精度的测量放大系统，保证了试验力的高精度（如图2-5）。本次实验利用试验机的下空间压缩进行抗压强度测量。

图2-5 WDW-E100D微机控制电子式万能试验机

本文显微结构分析采用的是捷克一家私营有限责任公司研发和生产的扫描电镜，如图2-6所示。在对断口形貌进行观察前先确保断口上没有赃物，并保证试样干燥时，其能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120×80×50mm；样品制备过程简单，不用切成薄片；可以从各种角度对样品进行观察；景深大，图像富有立体感。图像的放大范围广，分辨率也比较高；电子束对样品的损伤与污染程度小；在观察形貌的同时，还可以用从样品的其他信号作微区成分分析。

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图2-4 TESCAN VEGA Ⅱ型扫描电镜

2.2 实验过程

2. 2. 1 原料的处理

低品位石英砂来源广泛，如河流石英砂，以脉石英为主的铁矿铜矿的尾矿，工业废砂，沙漠石英砂等。本文实验所使用的原料是低品位石英砂，即长江沿岸河沙，其成分如表2-2所示[14]。

表2-2低品位石英砂的化学成分

化学成分 含量（wt%） SiO2 84.21 Al2O3 6.69 CaO 1.47 MgO 1.01 K2O+Na2O等 2.04 烧失量 2.77 合计 98.19 首先进行采矿，对原料低品位石英砂进行粗选，然后用50目的筛进行筛选，剔除河沙中尺寸较大的颗粒，避免影响球磨粉碎效果。

2.2.2 配料

普通多孔材料一般均有国家标准、部颁标准或企业标准。它们规定了对吸水率、抗压强度等的要求，这些要求是设计配料的基本依据。在充分考虑到产品的物理化学性能和使用性能后，按低品位石英砂、高岭土和辅助剂的质量百分含量进行计量，并加入适量水进行混合，置于混料机上混料10h制得所需浆料，备用。混料成分如表2-3所示。

表2-3 混料的成分

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石英砂 75g 高岭土 20g 碳酸钙 4.8g 发泡剂 0.2g 2.2.3 球磨

将处理好的石英砂通过使用行星式球磨机进行球磨：球磨机的转速为200r/min，球比为大球/小球等于0.75，球磨罐中的总质量为100g，球磨10h，然后取样，备用，其颗粒形状复杂，大小不均，粒度范围比较宽。

2.2.4 成形与烧结

石英砂多孔材料制备工艺流程如图2-7所示，具体操作方法如下： （1）.首先秤取原料，加水湿磨，得到浆料。

（2）.将浆料放入烘箱，烘干温度经过30℃、60℃、80℃逐步升高。 （3）.将烘干后的坯料放入炉中进行烧结。

2.2.5 密度与气孔率的测量和计算

测试多孔材料的密度采用公式2-1[15]

???式中：ρ′：多孔材料的体积密度 (g/cm3)

M：干多孔材料试样质量 (g) V：多孔材料试样的体积 (cm3) 测试多孔材料气孔率采用公式2-2

MV (2-1)

????（1－）?100％ (2-2)

?0式中： θ：多孔材料的气孔率 (％)

ρ′：多孔材料的体积密度 (g/cm3) ρ0：实体材料试样的体积密度 (g/cm3)

配方理论密度计算公式：

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?0??石英砂?M石英砂wt％＋?高岭土?M高岭土wt%??碳酸钙?M碳酸钙wt% (2-3)

式中：ρ

石英砂：石英砂的理论密度（2.53g/cm

3

）

ρ高岭土：高岭土的理论密度（2.95g/cm3）

ρ

碳酸钙：碳酸钙的理论密度（2. 71g/cm

3

）

成分配比 发泡剂 混料 料浆 成型 干燥 烧结 成品 测试

图2-7 石英砂孔梯度材料研究工艺流程图

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第三章 数据分析

3.1 烧结温度对石英砂多孔砖性能影响

烧成是使成型的坯体在高温作用下致密化，完成预期的反应，达到所要求的物理化学性能的全过程。在研究烧成温度的过程中，石英砂含量为75％，高岭土为20％，辅助剂为5％，保温时间为1h。

1.41密度(g/cm3)1.381.351.321.291.261040106010801100烧结温度(℃)112011401160

图3-1真空烧结温度对密度的影响

由图3-1、图3-2、图3-3可以看出，在1100℃温度前，石英砂多孔砖的密度随着烧结温度的升高而增加，而气孔率和抗压强度则相反。当烧结温度超过1100℃温度时，石英砂多孔砖的密度随烧结温度的升高而降低，气孔率和抗压强度则随烧结温度的升高而升高。通过图的分析推断:随着烧结温度的升高，坯体中原料开始熔融,砖体中的液相相继产生[16]，在烧结初期，由于温度相对后期较低，故此液相的粘度较大,不能向空隙四周流动；又由于液相的表面张力作用存在，液相就只能够粘附在孔隙壁上，使空隙的孔径变小，出现欠烧显微结构.随着温度继续升高，液相也继续增多，等到液相流动的能力能够克服液相的表面张力时，液相向四处流动，去填充砖体中的剩余空隙，减少砖体的气孔率，增加砖体的致密度；因此,随着温度的一定量升高，砖体中的气孔率减少且剩余孔洞的孔径变小。但随着烧结温度的进一步升高，从坯体中原料所熔融的液相大大增多，使得有些被包裹在液体中的气体，在温度高到一定程度时，有些气泡膨胀放出，使得砖体表面出现开口气孔，如果没有放出，由于它的膨胀，会挤大它所占的位置，当砖体冷却时，由于玻璃相的缘故，将其所占空间固定下来而留下较大的孔洞，这样就使得砖体致密度又变小，出现过烧显微结构[17]。如图3-4

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所示，烧结温度1050℃时，石英砂多孔砖的气孔多且大；随温度的升高，气孔减少且变小。烧结温度上升到1150℃时，因产生过多的玻璃相，砖体表面基本看不到气孔。

5251气孔率(%)50494847461040106010801100烧结温度(℃)112011401160

图3-2真空烧结温度对气孔率的影响

3.532.521.510.501040抗压强度(MPa)106010801100烧结温度(℃)112011401160

图3-3真空烧结温度对抗压强度的影响

结合图3-1、图3-2、图3-3可知，抗压强度的变化与气孔率变化相同，与密度变化相反。由于温度升高，进一步促进坯体液相烧结。待坯体冷却进程中析出更多的玻璃相，其力学呈脆性，因此抗压强度下降。因为在微气孔过多的时候，如图3-11(a),裂纹在延伸的方向遇到的气孔会发生间断，而产生新裂纹需要更大的压力。因此，气孔率大，抗压强度大，而密度小；反之则抗压强度小，而密度大。

由图3-5可以看到，烧结温度在1050℃时砖体能保持完好的外形；温度升高，砖体的外形发生一些改变。温度上升到1150℃时，砖体发生较大的变化，由一圆形柱体变成椭圆形柱体。

因此, 烧结温度为1050℃，可以制备得到密度为1.267g/cm3，气孔率为51.6%，抗压强度为3.184MPa的多孔砖，且气孔较小，分布较均匀。综合性能，为了得到一个最好的结合点，砖体的烧结温度为1050℃.

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(a) 1050℃ (b) 1100℃

(c) 1150℃

图3-4真空烧结温度对表面孔结构的影响

(a) 1050℃ (b) 1100℃

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(c) 1150℃

图3-5 烧结温度对石英砂多孔砖影响

3.2烧结方式对石英砂多孔砖性能影响

1.5密度(g/cm3)1.20.90.60.301烧结方式2

图3-6烧结方式对密度的影响 (1－真空烧结，2－常压烧结)

图3-6、图3-7、图3-8都是在烧结温度为1100℃，保温时间1h而得出的性能。从图中可以看出，石英砂多孔砖采用真空烧结的密度和抗压强度要比常压烧结的要高，气孔率相反。通过图的分析推断:石英砂多孔砖用真空烧结的方式强度和密度都要高。是由于：真空可以改善液相烧结的润湿性，有利于改善组织；真空有利于排除吸附气体，对促进烧结作用明显

[18]

。如将坯体在真空条件下烧结，则所有气体在坯体尚未完全烧结前就会从气孔中逸

出，使制品不含气孔，从而提高制品的致密度。真空烧结可以克服各种形式吸附气体杂质造成的组织缺陷。真空热压既是无氧烧结,又无还原气氛的典型的中性烧结,而且对表面已氧化的金属又有还原作用(低价金属氧化物更明显)。其还原作用的产生需要比氧化物离解压还要低的真空度,从而进一步改善液相对固相的润湿能力,促进了坯体的液相烧结。真空热压烧结可以使产品无氧化、低孔隙、少杂质、促进烧结,从而提高产品的综合性能[19]。

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8070气孔率(%)60504030201烧结方式2

图3-7烧结方式对气孔率的影响 (1－真空烧结，2－常压烧结)

1抗压强度(MPa)0.80.60.40.201烧结方式2

图3-8烧结方式对抗压强度的影响 (1－真空烧结，2－常压烧结)

因此，真空烧结的气孔率要明显比常压烧结的小，密度和抗压强度则要比常压烧结的要高。

从图3-9、图3-10可以看出，真空烧结的表面要比常压烧结的表面更加致密，真空烧结表面孔结构的排列比常压烧结的紧凑。而在真空烧结过程中，石墨气化主要生成具有还原性的CO气体，根据气体还原固体氧化物的机理，气体还原剂首先被氧化物吸附，然后与之相互作用产生新相，最后新相从固体表面解吸。所以由于真空烧结的特性，吸附和解吸的速度比常压下气体还原固体氧化物都要迅速[20]。因此，在相同的条件下，真空烧结更有利于液相烧结，降低烧结温度。

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（a）真空烧结 （b）常压烧结

图3-9烧结方式对表面的影响

（a） 真空烧结 （b） 常压烧结

图3-10烧结方式对表面孔结构的影响

（a）真空烧结高倍照片 （b）真空烧结低倍照片

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（c）常压烧结高倍照片 （d） 常压烧结低倍照片

图3-11 烧结方式对石英砂显微结构的影响

第四章 结 论

通过配料、制浆、成形、干燥和烧结工序，以及多孔砖性能测试，可以得到以下结论：

1. 在1100℃烧结温度范围以下，石英砂多孔砖的密度随着烧结温度的升高而升高，气孔率和抗压强度则随烧结温度升高而降低；烧结温度超过一定的范围则发生异常。

2. 真空烧结得到的石英砂多孔砖要比常压烧结的密度和抗压强度都要高，而气孔率则相反。

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3. 通过工艺参数优化，采用石英砂含量为75%，高岭土含量为20%，碳酸钙含量为4.8%，发泡剂含量为0.2%，共100g料，加水量为110ml，混料10h，烧结温度为1050℃，可以制备得到密度为1.267g/cm3，气孔率为51.6%，抗压强度为3.184MPa的多孔砖，且气孔较小，分布较均匀。

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第五部分 课程启发及感悟

实践是验证真理的唯一标准。在进行了一定的理论知识后，我们对多孔材料进行了深入了解。首先，多孔材料的研究范围很广，目前研究得较多的有各种无机气凝胶、有机气凝胶、多孔半导体材料、多孔金属材料等。他们的共同特点是密度小，孔洞率高，比表面积大，对气体有选择性透过作用。

在学习中我们已经知道多孔材料的制备方法有(1) 铸造法；(2) 粉末冶金法；(3) 金属沉积法；(4) 纤维烧结法等。它们的原理大同小异，最后得到的多孔材

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料好坏标准是一样的。它的特性有分散性好无团聚，气孔率小，化学组成相同等。利用低品位石英砂在不同工艺条件下制备的高性能石英砂烧结砖的显微结构,且通过显微结构与烧结温度和烧结方式的关系分析,确立该烧结砖得到最高性价比时的最佳工艺条件。

实验过程可分为（1）原料的制备；（2）配料；（3）球磨；（4）成型与烧结；（5）密度与气孔率的测量与计算。每个过程都非常重要，如配料中，它们要规定对吸水率、抗压强度等的要求，这些要求是设计配料的基本依据。同时我们就烧结温度对石英石烧结砖性能的影响；烧结方式对石英石烧结砖性能的影响深入了解。在烧结温度中得到以下结论在1100℃温度前，石英砂多孔砖的密度随着烧结温度的升高而增加，而气孔率和抗压强度则相反。当烧结温度超过1100℃温度时，石英砂多孔砖的密度随烧结温度的升高而降低，气孔率和抗压强度则随烧结温度的升高而升高。对于真空烧结与常压烧结我们可以知道：（1）真空热压烧结可以使产品无氧化、低孔隙、少杂质、促进烧结,从而提高产品的综合性能。（2）真空烧结的表面要比常压烧结的表面更加致密，真空烧结表面孔结构的排列比常压烧结的紧凑。

结合所学的知识我知道影响烧结的因素有原始粉料的粒度；外加剂的作用；烧结温度和保温时间；盐类的选择及其煅烧条件；气氛的影响；成型压力的影响。以上我们研究了烧结温度与烧结方式的影响。往后的工作可以就其他几个影响因素研究，期待得到更高性价比的石英砂烧结砖。在实验中警记一个原则，那就是单一变量，且实验应多做几次，那样的结果才比较准确，而不是偶然性的。

通过这次实验联系我们所学的这门课程，在课程中我学习到特种陶瓷与普通陶瓷的区别有原材料不同；结构不同；制备工艺不同；性能不同。特种陶瓷包括功能陶瓷和结构陶瓷，功能材料特别广泛，它还包括各种能量和信号转换材料。特种陶瓷有各种特性，如化学组成精准；化学组成精准性好；纯度高；适当小的颗粒尺寸；球状颗粒且尺寸均匀单一；分散性好无团聚等。得到更好的，应用更广泛的特种陶瓷是我们做实验的目标。

实验后的深刻思考很重要，只有思考，实验；思考，实验。经过这样的反复过程才可以得到保证实验结果的准确性，也才可以进一步的提高。

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