有机泡沫浸渍法(PSD)法及发泡凝胶法(FGC)制备SiC基泡沫陶瓷过滤材料的研究

摘要

泡沫陶瓷因其开放的三维网络骨架结构，具有气孔率高、孔径分布广、比表面积大、热传导率低、温度适应性好、耐腐蚀、抗氧化等优点，已广泛用于高温金属熔体过滤净化领域。SiC材料具有良好的抗热震性和化学稳定性，使其成为制造黑色合金及有色高温合金过滤器的首选材料。本研究在比较与总结国内外泡沫陶瓷先进研究成果的基础上，采取有机泡沫浸渍工艺(PSD)及发泡凝胶工艺(FGC)法，结合有机泡沫表面处理、烧结制度优化、磷酸铈、氧化钇增韧等手段，实验室制备SiC基泡沫陶瓷，并对制品性能进行了分析研究。
　　1)采用PSD法制备SiC泡沫陶瓷，研究了浆料制备过程中硅溶胶对于浆料流变性能的影响，优化了浆料制备工艺。
　　①固含量为55vol％的SiC混合浆料，加入硅溶胶后，RSH值均随pH值增加呈降低趋势，硅溶胶含量为8wt％、pH=10.3时，RSH值最低，分散效果最佳。最佳的固液比是55～60vol％;
　　②球磨时间-粘度曲线表明:高能球磨时间为60～90min，可获得较好的触变性及流动性。
　　2)采用NaOH溶液、CMC、SDS及硅溶胶三种溶液对有机聚氨酯泡沫表面进行处理，改善其表面粗糙度及挂浆性能。
　　①采用15wt％NaOH溶液，60℃下对聚氨酯泡沫水解40min，可在保持聚氨酯泡沫弹性的前提下，有效增加孔筋表面的粗糙度，并有效去除孔筋间膜。
　　②CMC、SDS及硅溶胶的浸泡处理均可有效改善聚氨酯泡沫表面的亲水性，增加其挂浆性能。其中35wt％硅溶胶的改善效果最好，单位重量泡沫挂浆量可达30.7g/g。
　　③对于固含量为60vol％的混合浆料，最佳的排浆挤压比为1/5。
　　3)制定了优化烧结曲线。采用优化曲线，终点温度为1550℃、1650℃、1750℃、1850℃的烧结体的抗弯强度分别达到1.826Mpa、2.434Mpa、3.175Mpa、3.713Mpa，断裂韧性分别达到2.21 MPa·m1/2、2.77 MPa·m1/2、3.23 MPa·m1/2和3.56 MPa·m1/2;抗弯强度和断裂韧性的增幅在1550℃～1650℃温度段均达到最大值。同样的终点烧结温度(1750℃)，优化曲线的抗弯强度、断裂韧性分别比工业曲线提高18.8％和42.9％。XRD与SEM分析表明，基体的强化作用主要源自刚玉的致密化团聚、SiO2的充分相变、液相的致密化作用、SiC氧化效应以及莫来石的增强作用。
　　4)采用CePO4作为改性剂，在保证抗弯强度不受较大影响的前提下，提高制品的断裂韧性。
　　①水热合成的无定形产物Ce1-x/3(PO4)1-x(HPO4)x.nH2O在温度升高时，经历一系列相变，最终在1200℃后转变为稳定的m-CePO4。
　　②在SiC混合浆料中添加1200℃煅烧CePO4粉体，CePO4添加量一定时，抗弯强度及断裂韧性均随终点烧结温度的提高而提高，其中1300～1400℃温度段增幅最大。而同一烧结温度下，断裂韧性先随CePO4添加量的增加而增大，达到峰值后，又呈下降趋势。
　　③添加110℃CePO4干燥粉体，烧结体抗弯强度及断裂韧性均随终点烧结温度的升高而增加。其中抗弯强度在1200～1400℃区间的强度增幅较大，断裂韧性在1200～1300℃区间的增幅最大。比较同温度下添加1200℃煅烧粉末的烧结体，其抗弯强度及断裂韧性均有所提高，其中1200℃烧结体抗弯强度增幅最大，1500℃增幅最小，即烧结温度越高，强度差别越小;其在1300℃时断裂韧性增幅最大。
　　5)采用FGC工艺制备SiC泡沫陶瓷。研究了木钠分散剂对于

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 泡沫陶瓷及其应用领域

1．2 泡沫陶瓷制备工艺

1．2．1 有机泡沫浸渍法

1．2．2 发泡注凝工艺

1．2．3 添加造孔剂法

1．2．4 冰冻干燥法

1．2．5 颗粒堆积法

1．2．6 孔梯度成型法

1．2．7 高温自蔓延合成工艺

1．3 熔融金属过滤用泡沫陶瓷器(CFF)的应用研究进展

1．3．1 CFF在熔融金属净化中的主要功效

1．3．2 CFF研究与应用进展

1．4 本研究的主要目的及内容

1．4．1 PSD法制备SiC泡沫陶瓷

1．4．2 通过FGC法制备SiC泡沫陶瓷

第二章 PSD法制备SiC泡沫陶瓷—浆料的流变性能研究

2．1 实验用主要原材料

2．2 实验设备

2．3 测量仪器及表征方法

2．4 实验

2．4．1 原料粒度分析

2．4．2 浆料的分散性研究

2．5 混合浆料的沉降性能表征

2．5．1 RSH测定法表征

2．5．2 吸光度表征

2．6 混合浆料的流变特性

2．6．1 混合浆料的粘度变化

2．6．2 混合浆料的触变性能表征

2．7 本章小结

第三章 PSD法制备SiC泡沫陶瓷一成型与烧结

3．1 聚氨酯有机泡沫的挂浆成型

3．1．2 NaOH水解法增大聚氨酯泡沫表面粗糙度

3．1．3 改善聚氨酯表面的亲水性

3．2 SiC泡沫陶瓷预制体的制备与烧结

3．2．1 预制体的制备

3．2．2 烧结制度的确定

3．3 泡沫陶瓷烧结体的力学。眭能表征与分析

3．3．1 力学性能表征

3．3．2 烧结机理分析

3．4 本章小结

第四章 PSD法制备SiC泡沫陶瓷-CePO4的强韧化作用

4．1 CePO4的实验室制备

4．1．1 主要原料

4．1．2 CePO4的制备

4．2 添加CePO4煅烧粉体对泡沫陶瓷力学性能的影响

4．2．1 SiC泡沫陶瓷的制备与性能测试

4．2．2 泡沫陶瓷烧结体抗弯强度分析

4．2．3 干压实体烧结体的断裂韧性分析

4．3 添加未煅烧CePO4粉体对烧结体力学性能的影响

4．3．1 烧结体力学性能表征

4．3．2 烧结体力学性钱分析

4．4 本章小结

第五章 FGC法制备SiC泡沫陶瓷——“AM-MBAM”体系

5．1 主要实验原料

5．2 FGC法制备SiC泡沫陶瓷工艺流程

5．3 浆料的流变性能分析

5．3．1 浆料的制备与流变性能测试

5．3．2 木钠分散剂对于浆料流变性能的影响

5．4 浆料的发泡凝胶

5．4．1 发泡凝胶过程及表征

5．4．2 pH值对凝胶聚合反应的影响

5．4．3 引发剂含量对凝胶效率的影响

5．4．4 初始温度的影响

5．5 泡沫陶瓷的烧成及显徽结构表征

5．6 本章小节

第六章 SiC泡沫陶瓷的FGC制备—明胶固化工艺

6．1 主要实验原料

6．2 明胶固化制备SiC泡沫陶瓷工艺流程

6．3 性能表征与分析

6．3．1 混合浆料流变性能分析

6．3．2 搅拌速度对泡沫陶瓷孔径分布的影响

6．3．3 烧结温度及搅拌速度对泡沫陶瓷制品力学性能的影响

6．4 本章小节

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢