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磷酸盐结合刚玉基多孔陶瓷的制备及耐水性研究

多孔陶瓷被广泛利用催化剂载体,气,水净化介质,隔热保温材料等。制备多孔陶瓷一般需要在1300℃甚至更高的温度烧成,并与成本较高。为了降低多孔陶瓷的制备温度,为了降低多孔陶瓷的制备温度,人们进行了广泛的研究。但烧成温度仍然在1000〜1450℃。
磷酸盐具有固化温区宽,结合强度高的特点,是中低温下制备多孔陶瓷的理想结合剂。李等以磷酸盐为结合剂,将多孔陶瓷的制备温度替代1000℃以下。然而,磷酸盐的低温固化相中存在大量易潮解的聚磷酸盐结构,在传统涂料中,添加CuO,SiO 2,Ti O 2等氧化物固化剂或约会低熔点玻璃相,是提高磷酸盐涂层耐水性能的有效手段,例如史述宾与弋慧丽等分别采用硅溶胶和硼酸提高了磷酸盐涂层的耐水性。
本工作中,以磷酸盐结合制备刚玉基多孔陶瓷,研究了不同温度下,硅溶胶和硼酸对多孔陶瓷的基本性能和耐水性的影响。
1试验
1.1原材料
试验原料有:粒度(0.057,0.074] mm,d 50 =72.7μm的电熔白刚玉粉,预先经水洗,干燥,400℃灼烧2 h后备用; w(Al(H 2 PO 4)3) = 34%的磷酸二氢铝; w(SiO 2)= 28%的硅溶胶;分析纯硼酸;食品级小麦淀粉;分析纯柠檬酸。
1.2坯料制备
按表1的试验配方配料。将刚玉粉与磷酸二氢铝,硅溶胶,硼酸等加入搅拌器内,搅拌5〜6 min后加入淀粉,柠檬酸和去离子水的混合液,继续搅拌约5 min至物料均匀成团。用保鲜膜包好,困料24 h后,在10 mm×10 mm×60 mm的模具中手工轻捣成型。自然干燥24 h后脱模,在40℃干燥48 h然后,将马弗炉内,以4℃·min -1的速率分别加热至600、700、800、900℃并保温2 h,冷却后测量尺寸长度,计算其烧后线收缩率。

1.3分析与表征
按GB / T 1966—1996测定烧后薄片的显气孔率。
取部分烧后薄片,完全浸没在37℃去离子水中,7 d后取出,采用CTM6005型万能试验仪通过三点弯曲法测定浸水前后的的常温抗折强度(测试跨距40 mm,最小速度0.5 mm·min -1,每组片段检测5次,取长度),并计算浸水抗折强度保持率(浸水后抗折强度÷浸水前抗折强度×100%)。
试块尺寸为30 mm×50 mm×9 mm,用两个长30 cm,管道截面为20 mm×20 mm的方形直管状夹具夹紧试块,并用保鲜膜密封试块侧面,测试空气在不同变量下通过试块后的压力降。

使用SU8020型场发射扫描电子显微镜显微镜观察的微小结构。

2结果与讨论
2.1物理性能
不同温度烧后薄片的显着气孔率和烧后线收缩率投入2。可以研磨:1)转变烧成温度的升高,各部分的烧成线收缩率均单调增大。试样A的显着气孔率呈先扩大后扩展的变化趋势,800℃烧后薄片的最大;片段B和C的显着气孔率均呈波折样式变化。2)在相同温度下烧成后,烧成线收缩率的大小顺序为B> C> A,显气孔率的大小顺序为A> B> C。改性前后部分显着气孔率的差异主要是淀粉添加量不同造成的。
不同温度烧后碎片的常温抗折强度强度升高3。可以研磨:1)转变烧成温度的升高,浸水前切片A的常温抗折强度呈现先替代后扩大的变化趋势,800℃烧后碎片的最小;碎片B和C的常温抗折强度均呈波折式变化,但变化幅度不大。2)在相同温度下烧成后,浸水前切片常温抗折强度的大小顺序为C> B> A。

由图4可以研磨:1)通过烧成温度的升高,缩小A和B的浸水抗折强度保持率均呈先转变后的变化趋势,均以800℃烧后片断2)在600和700℃烧成后,片断浸水抗折强度保持率的大小顺序为B> C> A;在800 ℃烧成后,碎片浸水抗折强度保持率的大小顺序为C> A> B;在900℃烧成后,试样浸水抗折强度保持率的大小顺序为C> B> A。
综合考虑,800℃烧成后附件C的性能更好。
尖端的透气性,以800℃烧成后薄片C为例,其空气压降-空气指标曲线尖端5。可以切削,附有更好的透气性,在1 m·min -1的空气折射率下的空气压力降为676 Pa,表明某些具有更好的交替过渡结构。

2.2物相组成
不同温度烧成后薄片A的XRD图谱得分6。

由图6可以看出:600和700℃烧成后试样中,除α-Al系2 ö 3外,还存在的Al(PO 3)3和石英型的Al PO 4(B-Al系PO 4)0.800和900℃烧后薄片中,20.45°的Al(PO 3)3衍射峰和21.64°的B-AlPO 4衍射峰消失,出现鳞状石英型Al PO 4(T-Al PO 4); Al PO 4的半峰宽裂纹,表明其结晶较差。
800℃烧后3种碎片的XRD图谱尺寸7。可以修剪:片断B与C的XRD图谱几乎相同;与片断A标注,片断B,C的20.14°,22.82°的鳞片石英型Al PO 4特征峰强度变弱,而21.42°的Si O 2特征峰宽化。这可能是由于Si O 2与Al PO 4相是等电子体,彼此结构相似,形成了H-Al -Si-PO连结结构;同时,由于SiO 2的连结作用,Al PO 4相的聚集受到抑制,相分散性提高,而这提高了结合相的无定形程度,使其更容易在刚玉表面扩散,故而SiO 2处的特征峰宽化。

2.3微观结构
可以修剪:1)将烧成温度从600℃提高到900℃,从而将A的结合相逐渐致密,结合相颗粒也2)在≤700℃处理后,尺寸B的结合相颗粒较细且连结紧密;在800℃处理后,结合相颗粒尺寸比切片A的小,在结合吸收分散得更均匀,但结合相颗粒间仍存在缝隙;在900℃处理后,结合相颗粒间的缝隙变得模糊,结合相整体性提高。3)不同温度烧成后薄片C的结合相均具有良好的整体性。
800℃烧后碎片A,B,C的刚玉颗粒表面结合相的SEM照片斑点9。可以研磨:1)碎片A的刚玉颗粒表面结合相出现明显裂纹。这可能是因为新产生的结合相T-Al PO 4的热膨胀系数(4.4×10 -4 K -1[ 19 ])远大于刚玉的热膨胀系数(8.8×10 -6 K -1),在烧成后的冷却过程中其收缩远大于刚玉所致。2)亚微米的Si O 2可以提高Al PO 4结合相的3)而对于硅溶胶-硼酸改性的片断C,B 2 O 3玻璃相的存在重叠了结合相间的缝隙。因此,800 ℃烧成后薄片C的显着气孔率比片段A,B的小,常温抗折强度和浸水抗折强度保持率比片段A,B的大。

3结论
(1)添加5.6%(w)硅溶胶的碎片,600℃烧成后的常温抗折强度为9.58 MPa,显气孔孔径43.21%,37℃浸水7 d后的浸水强度保持溶解94.23% 。
(2)添加5.6%(w)硅溶胶和0.25%(w)硼酸的碎片,600℃烧成后的常温抗折强度提高至10.61MPa,800和900℃烧成后的浸水强度保持率在三个片断中最大。
(3)亚微米SiO 2和硼酸分别对Al PO 4结合相的均匀分布和渗水缝隙的放置起到了积极作用。


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