不同烧结助剂对陶瓷管支撑体性能的影响

不同烧结助剂对陶瓷管支撑体性能的影响

王婕

关键字：陶瓷管支撑体，不同体系烧结助剂，机械强度

中图分类号：TB332文献标识码：A

引言

无机陶瓷膜因其脆性大、弹性小等缺点的存在，使其必须与具有一定机械强度的支撑体上使用。目前，市场上多使用氧化铝陶瓷。然而，由于氧化铝的离子型键性使之熔点很高(2050℃)，且高温时产生的液相量很少，其烧结主要靠氧化铝晶体的再结晶作用来完成。因此传统的氧化铝陶瓷烧成温度很高。由于烧成温度高，不仅消耗了大量能源，而且产品的合格率低，制备成本高。因此，实现氧化铝陶瓷的低温快速烧结是降低氧化铝陶瓷的能耗及其生产成本的关键。而在氧化铝中引入变价氧化物作为烧结助剂来降低氧化铝陶瓷膜的烧结温度受到很大的欢迎。研究发现合适的助熔剂可以降低烧结温度，改善陶瓷的显微结构，提高力学性能。其助熔方式主要有以下几种：1.与氧化铝形成固溶体；2.在烧结过程中，组分之间形成低共熔体系；3.烧结过程中与氧化铝生成新的晶相[1-3]。

本次实验旨在给a-Al2O3-CuO-TiO2体系中引入不同种类MnO2、Zn、SiO2等助烧剂来获得烧结温度低、性能较好的多孔氧化铝陶瓷支撑体。

1实验

1.1实验原料

本实验采用郑州某公司生产的煅烧α-Al2O3粉料，经Mastersizer激光衍射粒度仪测定其D50=6.1μm；羧甲基纤维素（CMC)，分析纯；TiO2，分析纯；CuO，分析纯。MgO，分析纯；MnO2，分析纯；Zn，分析纯、SiO2，分析纯。

1.2支撑体的制备

本文研究了在CuO-TiO2复合高温烧结助剂的基础上分别引入MgO、MnO2、Zn、SiO2烧结助剂采用滚压成型和熔膜芯法制备出管式多孔a-Al2O3陶瓷膜支撑体样品。具体实验步骤如下：将α-Al2O3

和成孔剂（CMC）、烧结助剂（CuO、TiO2、MgO、MnO2、Zn、SiO2）、蒸馏水按一定比例混合均匀，倒出混料于保鲜袋中，在室温下陈化12h，然后采用滚压成型法制成圆柱状基体，置于生化培养箱20℃下干燥24h，最后使用马弗炉在一定的烧成制度下在1200℃保温2h制成。

1.3表征

采用日本电子株式会社（JEOL）JSE-6700F型扫描电子显微镜观察制成的微观形貌。

利用三点弯曲法测定管状支架的力学强度。支撑体长为150mm内径外径分别为7mm，11mm。在截面放置两个不锈钢夹具，之间距离为60mm。用下列方程计算了支持三点弯曲强度[4]：

式中，Rf为三点弯曲强度（MPa），P是断裂强度（N），L支持夹具之间的距离是（mm），d是在断裂点管状支撑件的内径（mm），s是在断裂点的支撑体的壁厚（mm）.

2结果与分析

2.1支撑体的形貌分析

图为样品的SEM，从图中可以看出样品的烧结状态良好，样品a、b中产生的低共熔物Al2TiO5可增加支撑体的致密化进程，一方面，低共熔物形成的液相可产生较大的毛细管力，这种毛细管力作用在颗粒上，导致颗粒滑移，使颗粒进一步重排，排除气孔，提高材料的致密度；另一方面，由于Al2O3在液相中有一定的溶解度，颗粒间可通过液相完成溶解-淀析过程，实现快速传质，加速Al2O3的致密化[5]。由于样品b中添加了Zn，在高温下生成的氧化锌使得样品的孔隙增多；样品c中由于SiO2也属于NaCl型晶体结构，它能在氧化铝陶瓷坯体烧结过程中生成液相，当这种液相出现后，能进行粘性流动，对烧结可有较大的促进作用。样品d中二氧化锰的晶格常数与氧化铝比较接近，它能与氧化铝生成固溶体，可以使晶格畸化从而活化晶格、形成空穴或迁移原子，以及使晶格产生变形。这些作用使得坯体易于重结晶而烧结。

2.2支撑体的特性

从图2可以看出，在1200℃烧结的样品a的纯水通量最低，抗折强度高，这是因为Al2O3-CuO-TiO2体系生成的低共熔物促进了样品的致密化。在Al2O3-CuO-TiO2体系的基础上，与其他体系相比，样品b的机械强度最高，纯水通量一般。这可能是因为样品c中SiO2与氧化铝陶瓷坯体烧结过程中生成液相，当这种液相出现后，阻碍了Al2O3-CuO-TiO2体系中低共熔物的生成，使得支撑体的纯水通量增大，机械强度降低；二氧化锰的晶格常数与氧化铝比较接近，它能与氧化铝生成的固溶体，阻碍了Al2O3-CuO-TiO2体系中低共熔物的生成，使得支撑体的纯水通量增大，机械强度降低。

3结论

在高纯氧化铝陶瓷中添加CuO/TiO2/Zn的管状陶瓷膜支撑体，烧结2h后支撑体的纯水通量达到329.6L/m2.h.MPa，机械强度为84.2MPa。将支撑体的烧结温度降低到1200℃，可以在很大程度上降低成本。

参考文献

[1]李悦彤,杨静.氧化铝陶瓷低温烧结助剂的研究进展[J].硅酸盐通报,2011,12:1328-1332

[2]X.W.Huang,S.W.Wang.Effectofliquid-formingadditivesonthesinteringandmechanicalpropertiesofAl2O3/3Y-TZP(30vol.%)composite[J].

ResearchBulletin,2002,37:1709-1719

[3]SharmiwatiMohammedSharif,ZainalArifinAhmad.PreparationandCharacterizationofTubularCeramicSupportforUseinTransesterificationProcess[J].ScienceofSintering,2012,44:187-195

[4]HongQi,YiqunFan.EffectofTiO2dopingonthecharacteristicsofmacroporousAl2O3/TiO2membranesupports[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2010,30:1317–1325

[5]漆虹,刑卫红.低温烧成高纯Al2O3多孔陶瓷膜支撑体的制备[J].硅酸盐学报,2010,2:283-289