有機(jī)泡沫浸漬法氧化鋁多孔陶瓷制備研究

康永　張慶

摘 要：有機(jī)泡沫浸漬法是當(dāng)前制備多孔陶瓷最為常見的一種工藝，因其可以制備出氣孔分布均勻、氣孔率超高、貫通且結(jié)構(gòu)為三維立體網(wǎng)絡(luò)狀的多孔陶瓷。本文研究了添加不同種類以及不同含量的分散劑對α-Al2O3在懸浮液中穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明當(dāng)固含量為5 wt%時(shí)，選用阿拉伯樹膠分散劑、且添加量為0.8 wt%時(shí)，α-Al2O3懸浮液的穩(wěn)定性最佳。為了有效降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度，通過實(shí)驗(yàn)研究選擇的助燒劑質(zhì)量比為2：1的SiO2/CuO，添加量為3 wt%。使用氣孔率分別為75%、80%、95%的有機(jī)泡沫模板，在固含量選取為30 wt%的懸浮液中浸漬后干燥，最后在1200℃燒結(jié)2 h，分別制備得到了氣孔率為65%、72%、93%的多孔氧化鋁陶瓷。

關(guān)鍵詞：懸浮液穩(wěn)定性；有機(jī)泡沫浸漬法；多孔氧化鋁陶瓷；助燒劑

1 前言

多孔氧化鋁陶瓷具有熱導(dǎo)率低、介電常數(shù)低、比表面積大、硬度高、耐磨損、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)良性能，引起了全球材料學(xué)界的高度重視，并得到了較快發(fā)展，每年這方面的專利都有十幾篇，并且有逐年增長的趨勢[1]。其應(yīng)用遍及環(huán)保、能源、化工、生物等多個(gè)領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要的作用。

另外，制備多孔氧化鋁陶瓷原料來源廣泛、價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝簡單、具有較高的性價(jià)比以及很大的商業(yè)價(jià)值。多孔氧化鋁陶瓷現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于凈化分離“固定化酶載體”吸聲減震和傳感器材料等眾多領(lǐng)域，在航天航空、能源、石油等領(lǐng)域中也具有十分廣闊的應(yīng)用前景[2]。因此，多孔氧化鋁陶瓷引起了材料科學(xué)界的極大興趣，成為一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域，每年在這方面都有大量的論文和專利發(fā)表，世界上不少國家，尤其是美、日、德等國都非常重視，并投入了大量人力物力進(jìn)行研究開發(fā)[3]。

本文主要的研究方向有兩個(gè)，首先由于懸浮液是多孔陶瓷的主要框架材料，懸浮液的穩(wěn)定性是有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔氧化鋁陶瓷工藝的一個(gè)關(guān)鍵因素，所以本文第一部分研究加入不同分散劑（阿拉伯樹膠、聚丙烯酸銨、硅溶膠）對懸浮液穩(wěn)定性的影響，并得出相對于固含量為5%的懸浮液，穩(wěn)定性最佳的分散劑種類和含量。其次，由于高含量氧化鋁陶瓷致密燒結(jié)溫度不低于1600℃，因此本文選擇不同助燒體系進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，向氧化鋁粉體中加入不同助燒劑后，進(jìn)行壓片燒結(jié)，找出可將氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度降低至1200℃的助燒體系，并在之后的實(shí)驗(yàn)中使用該 體系作為助燒劑。最后選用合適的有機(jī)泡沫，經(jīng)過預(yù)處理后在30%固含量的懸浮液中進(jìn)行浸漬、干燥、燒結(jié)，并得到氣孔率可測的多孔氧化鋁陶瓷。

現(xiàn)如今多孔氧化鋁陶瓷的應(yīng)用越來越廣泛，但是由于氧化鋁本身燒結(jié)溫度過高，燒結(jié)條件比較苛刻，成本較高。有機(jī)泡沫浸漬法是制備多孔氧化鋁陶瓷最常見方法，因此如何在利用有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔氧化鋁陶瓷的同時(shí)，降低陶瓷的燒結(jié)溫度就成為了一個(gè)重要課題。綜合前人有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔氧化鋁陶瓷和低溫?zé)Y(jié)陶瓷技術(shù)的相關(guān)研究，自主設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，希望通過有機(jī)泡沫浸漬法制備出燒結(jié)溫度較低，且氣孔率較大的多孔陶瓷，為以后的多孔氧化鋁陶瓷制備，以及相關(guān)的低溫?zé)Y(jié)工藝打下基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

超細(xì)氧化鋁粉體，分析純，中國鋁業(yè)山東分公司；聚丙烯酸銨，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；阿拉伯樹膠 ，分析純，沈陽新云試劑廠；CuO，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；SiO2，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；TiO2 分析純，沈陽新云試劑廠。

超聲波清洗器，CQF-50型；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9076A型；萬能試驗(yàn)機(jī)，WE-30型，長春試驗(yàn)機(jī)廠；高溫爐，SRJX-8-13型，沈陽市電爐廠；數(shù)顯恒溫水浴鍋 ，HH-2型，江蘇金壇儀器廠；X射線衍射儀，XRD-6100型，日本島津公司；掃描電子顯微鏡，SSX-550型，日本島津公司；行星式球磨機(jī) ，QM-3SP2J型，南京大學(xué)儀器廠。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

配制固含量為30%的懸浮液，用2 mol/L的NaOH溶液預(yù)處理過的有機(jī)泡沫進(jìn)行浸漬，60℃干燥制成坯體后，最后進(jìn)行燒結(jié)，300℃保溫30 min，目的是緩慢去除有機(jī)泡沫，之后升溫至1200℃，保溫2 h，自然冷卻。

觀察其宏觀形貌，并分別利用排水法測定由不同規(guī)格有機(jī)泡沫制成的氧化鋁多孔陶瓷成品的氣孔率，最后分別將不同規(guī)格成品進(jìn)行掃描電鏡微觀形貌觀察，隨機(jī)選取一個(gè)成品進(jìn)行XRD檢測實(shí)驗(yàn)，觀察數(shù)據(jù)并記錄。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同懸浮液穩(wěn)定性

利用沉降法分別對加入三種不同分散劑的懸浮液測試其穩(wěn)定性，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并分析。

3.1.1 聚丙烯酸銨分散劑

在有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔氧化鋁陶瓷工藝中加入不同含量聚丙烯酸銨作為分散劑，對懸浮液穩(wěn)定性的影響如圖1所示。由圖中可以看出當(dāng)聚丙烯酸銨的添加量在0～0.2%時(shí)，S提升速度非?？欤@說明加入少量分散劑時(shí)，聚丙烯酸銨的分散效果特別明顯；當(dāng)添加量在0.2～1.0%之間時(shí)，隨著聚丙烯酸銨的添加量不斷增加，S繼續(xù)提升，但是升高速度有所下降；當(dāng)聚丙烯酸銨的添加量在1.0～1.6%之間時(shí)，隨著聚丙烯酸銨的添加量不斷增加，S呈現(xiàn)下降的趨勢，尤其是在1.4%之后，下降程度較大。即當(dāng)聚丙烯酸銨添加量為1.0%時(shí)，S達(dá)到最大值。

由此得出結(jié)論：氧化鋁陶瓷懸浮液以聚丙烯酸銨作為分散劑時(shí)，在聚丙烯酸銨含量在0～2.0%的這一區(qū)間內(nèi)，添加量為1.0%時(shí)懸浮液穩(wěn)定性達(dá)到最佳。

3.1.2 阿拉伯樹膠分散劑

在有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔氧化鋁陶瓷工藝中加入不同含量阿拉伯樹膠作為分散劑，其對懸浮液穩(wěn)定性的影響如圖2所示。由圖中可以看出當(dāng)阿拉伯樹膠的添加量在0～0.2%時(shí)，S變化較??；0.2～0.4%之間時(shí)，隨著阿拉伯樹膠的添加量不斷增加，S呈現(xiàn)較快的上升趨勢；0.4～0.8%時(shí)，雖然依舊處于上升趨勢，但速度較慢；0.8%時(shí)，S達(dá)到相對最大值；0.8～1.8%之間時(shí)，隨著阿拉伯樹膠的添加量不斷增加，S呈現(xiàn)下降的趨勢，下降過程較為平緩；1.8～2.0%則又開始出現(xiàn)上升趨勢，但由于添加量為0.8%時(shí)就已經(jīng)有比較滿意的穩(wěn)定結(jié)果，因此本文不對之后的添加量高于2.0%的懸浮液做相關(guān)研究。

由此得出結(jié)論：氧化鋁陶瓷懸浮液以阿拉伯樹膠作為分散劑時(shí)，在阿拉伯樹膠含量在0～2.0%的這一區(qū)間內(nèi)，阿拉伯樹膠的添加量為0.8%時(shí)懸浮液穩(wěn)定性達(dá)到最佳。

3.1.3 硅溶膠分散劑

在有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔氧化鋁陶瓷工藝中加入不同含量硅溶膠作為分散劑，對懸浮液穩(wěn)定性的影響如圖3所示。由圖中可以看出當(dāng)硅溶膠的添加量在0～4%之間時(shí)，隨著阿拉伯樹膠的添加量不斷增加，S呈現(xiàn)較快的上升趨勢，達(dá)到4%時(shí)趨于平緩。繼續(xù)增加硅溶膠含量，S穩(wěn)定上升，當(dāng)添加量達(dá)到14%時(shí)懸浮液穩(wěn)定性達(dá)到最佳。繼續(xù)增加硅溶膠含量，S開始出現(xiàn)緩慢的下降趨勢。

由此得出結(jié)論：氧化鋁陶瓷懸浮液以硅溶膠作為分散劑時(shí)，在硅溶膠含量在0～20%的這一區(qū)間內(nèi)，硅溶膠的添加量為14%時(shí)懸浮液穩(wěn)定性達(dá)到最佳。

3.2 不同助燒體系對氧化鋁陶瓷燒結(jié)的影響

由于氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度過高，燒結(jié)條件較為苛刻，所以作者希望可以找到一種可以降低氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度至1200℃的燒結(jié)體系，來進(jìn)行下一步的多孔氧化鋁陶瓷的燒結(jié)工作。首先，分別向氧化鋁粉體中加入不同助燒體系（表1），經(jīng)過球磨、干燥、壓片成型，在1200℃進(jìn)行燒結(jié)，保溫時(shí)間為2 h，自然冷卻，然后將成品進(jìn)行掃描電鏡微觀形貌觀察及XRD檢測實(shí)驗(yàn)。最后將樣品放入水中，水浴加熱90℃保持30 min，觀察是否有粉體脫落。根據(jù)是否有粉體脫落，初步判斷陶瓷的燒結(jié)程度，無粉體脫落，且具有一定硬度，則認(rèn)為達(dá)到燒結(jié)要求。

3.2.1 SiO2/CuO助燒體系助燒效果分析

對以SiO2/CuO為助燒體系的氧化鋁陶瓷XRD圖像進(jìn)行了峰值標(biāo)注（如圖4），其中主要標(biāo)明了對應(yīng)Al2O3的峰值，還有一部分強(qiáng)度較低的峰，但經(jīng)過對比都不與SiO2或CuO相對應(yīng)，因此推論SiO2和CuO參與了氧化鋁陶瓷燒結(jié)中的相關(guān)反應(yīng)，并起到了一定的作用。同時(shí)根據(jù)圖5也可以看出陶瓷粉體已經(jīng)不再是單獨(dú)的顆粒，而是開始某種方式的結(jié)合，這也說明SiO2和CuO可以促進(jìn)較低溫度下氧化鋁陶瓷的燒結(jié)過程。綜合上一節(jié)中加入SiO2/CuO助燒體系的氧化鋁陶瓷在1200℃就可以完成燒結(jié)的結(jié)論，SiO2/CuO、TiO2/CuO、SiO2/TiO2/CuO三種助燒體系可以有效降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度至1200℃左右。

3.2.2 TiO2/CuO助燒體系助燒效果分析

對以TiO2/CuO為助燒體系的氧化鋁陶瓷XRD圖像進(jìn)行了峰值標(biāo)注如（如圖6），其中主要標(biāo)明了對應(yīng)Al2O3的峰值，還有一部分強(qiáng)度較低的峰，但經(jīng)過對比都不與TiO2或CuO相對應(yīng)，因此推論TiO2和CuO參與了氧化鋁陶瓷燒結(jié)中的相關(guān)反應(yīng)，并起到了一定的作用。同時(shí)根據(jù)圖7也可以看出陶瓷粉體已經(jīng)不再是單獨(dú)的顆粒，而是開始某種方式的結(jié)合，這也說明TiO2和CuO可以促進(jìn)較低溫度下氧化鋁陶瓷的燒結(jié)過程。綜合上一節(jié)中加入TiO2/CuO助燒體系的氧化鋁陶瓷在1200℃就可以完成燒結(jié)的結(jié)論，筆者認(rèn)為TiO2和CuO按照表1中的比例添加可以有效降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度至1200℃左右。

3.2.3 SiO2/TiO2/CuO助燒體系助燒效果分析

對以SiO2/TiO2/CuO為助燒體系的氧化鋁陶瓷XRD圖像進(jìn)行了峰值標(biāo)注（圖8），其中主要標(biāo)明了對應(yīng)Al2O3的峰值，還有一部分強(qiáng)度較低的峰，但經(jīng)過對比都不與SiO2、TiO2或CuO相對應(yīng)，因此推論SiO2、TiO2和CuO參與了氧化鋁陶瓷燒結(jié)中的相關(guān)反應(yīng)，并起到了一定的作用。同時(shí)根據(jù)圖9也可以看出陶瓷粉體已經(jīng)不再是單獨(dú)的顆粒，而是開始某種方式的結(jié)合，這也說明SiO2、TiO2和CuO可以促進(jìn)較低溫度下氧化鋁陶瓷的燒結(jié)過程。綜合上一節(jié)中加入SiO2/TiO2/CuO助燒體系的氧化鋁陶瓷在1200℃就可以完成燒結(jié)的結(jié)論，筆者認(rèn)為SiO2、TiO2和CuO按照表1中的比例添加可以有效降低氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度至1200℃左右。

由此得出，三種助燒體系都可以將氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度降低至1200℃左右。再對比圖4、圖6和圖7，可以明顯發(fā)現(xiàn)圖4中Al2O3峰強(qiáng)最高，說明此時(shí)其結(jié)晶度較高，因此選擇SiO2/CuO助燒體系作為之后實(shí)驗(yàn)的助燒劑。

3.3氣孔率測定

如圖10所示，由于燒制成的多孔氧化鋁陶瓷的氣孔率較大，因此其邊緣結(jié)構(gòu)不平整、難以測量，因此使用不同位置多次測量取平均值的方法測量，力求減小人為誤差。最后測得圖10中陶瓷密度如表2所示（表中AlO-1，AlO-2，AlO-3分別表示圖中的a，b，c，其中孔徑c>b>a）。

3.4 助燒劑對多孔氧化鋁陶瓷的性能影響及分析

未添加助燒劑和添加助燒劑并在1200℃燒結(jié)后的多孔氧化鋁陶瓷宏觀形貌如圖11所示，兩個(gè)成品雖然采用了同樣的有機(jī)泡沫、浸漬工藝和燒結(jié)工藝，但是浸漬效果、成孔情況卻有很大的區(qū)別。作者認(rèn)為主要原因是加入助燒劑以后從一定程度上降低了其粘度，所以才會使得添加助燒劑的懸浮液浸漬效果差強(qiáng)人意。但是從孔的形貌方面看，明顯添加助燒劑的多孔陶瓷更符合開孔、高氣孔率、孔內(nèi)無殘留的要求。因此如何在保證開孔、高氣孔率、孔內(nèi)無殘留的要求的前提下，改進(jìn)浸漬工藝，減少孔壁破裂，是以后低溫多孔陶瓷的重要研究方向。

4 結(jié) 論

本文以有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔氧化鋁陶瓷為主膠、硅溶膠三種不同的分散劑對于懸浮液穩(wěn)定性的影響，尋找出了擁有最佳分散效果的單體分散劑，并確定了其最佳添加量。同時(shí)，對在氧化鋁陶瓷中加入助燒劑以降低其燒結(jié)溫度的相關(guān)工藝也作為輔助實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。最后結(jié)合兩者，進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)多孔氧化鋁陶瓷的實(shí)驗(yàn)，并得出以下結(jié)論：

（1） 對于以聚丙烯酸銨作為分散劑的懸浮液，當(dāng)聚丙烯酸銨的含量為Al2O3的1%時(shí)，該懸浮液穩(wěn)定性達(dá)到最佳；對于以阿拉伯樹膠作為分散劑的懸浮液，當(dāng)阿拉伯樹膠的含量為Al2O3的0.8%時(shí)，該懸浮液穩(wěn)定性達(dá)到最佳；對于以硅溶膠作為分散劑的懸浮液，當(dāng)硅溶膠的含量為Al2O3的14%時(shí)，該懸浮液穩(wěn)定性達(dá)到最佳。其中以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%阿拉伯樹膠作為分散劑時(shí)，懸浮液穩(wěn)定性最好。

（2） 對于氧化鋁陶瓷而言，SiO2/CuO、TiO2/CuO、SiO2/TiO2/CuO三種助燒體系可將其燒結(jié)溫度降低至1200℃左右。

（3）利用有機(jī)泡沫浸漬工藝制備多孔氧化鋁陶瓷，選用氣孔率分別為75%、80%、95%的有機(jī)泡沫模板和浸漬工藝，成功制得了氣孔率分別為65%、72%、93%的多孔氧化鋁陶瓷。

參考文獻(xiàn)

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