多孔陶瓷.ppt
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多孔陶瓷多孔陶瓷1、概、概述述2、表征多孔陶瓷材料、表征多孔陶瓷材料特性参数特性参数3、多孔陶瓷的、多孔陶瓷的制备制备4、多孔陶瓷的、多孔陶瓷的形成机理形成机理5、多孔陶瓷的、多孔陶瓷的应用应用1、概、概述述多孔陶瓷多孔陶瓷是一种经是一种经高温烧成高温烧成、体内具有、体内具有大量大量彼此相通彼此相通并与材料表面也相贯通的并与材料表面也相贯通的孔道孔道结构的结构的陶瓷材料。
陶瓷材料。
多孔陶瓷的种类很多,几乎目前研制及多孔陶瓷的种类很多,几乎目前研制及生产的生产的所有陶瓷所有陶瓷均可以均可以通过适当的工艺通过适当的工艺制成制成多孔体。
多孔体。
根据根据成孔方法成孔方法和和孔隙结构孔隙结构,多孔陶瓷可,多孔陶瓷可分为三类:
分为三类:
粒状陶瓷;粒状陶瓷;泡沫陶瓷;泡沫陶瓷;蜂窝陶瓷。
蜂窝陶瓷。
陶瓷的陶瓷的气孔率气孔率列于下表列于下表。
多孔陶瓷多孔陶瓷泡沫陶瓷泡沫陶瓷蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷粒状陶瓷结体粒状陶瓷结体气孔率气孔率/%8090703050根据根据孔径大小孔径大小,陶瓷可分为,陶瓷可分为1000um到几十微米的到几十微米的粗孔制品粗孔制品、0.220um的的微微孔制品孔制品和和0.2um到几纳米的到几纳米的超微孔制品超微孔制品。
多孔陶瓷材料的特性多孔陶瓷材料的特性化学稳定性好化学稳定性好;通过;通过材质的选择材质的选择和和工艺工艺控制控制,可制成适用于,可制成适用于各种腐蚀环境各种腐蚀环境的多孔陶的多孔陶瓷;瓷;具有具有良好的机械强度和刚度良好的机械强度和刚度;在气压、;在气压、液压或其他应力负载下,多孔陶瓷的液压或其他应力负载下,多孔陶瓷的孔道形孔道形状和尺寸状和尺寸不会发生变化;不会发生变化;耐热性好耐热性好,用,用耐高温陶瓷耐高温陶瓷制成的多制成的多孔陶瓷可孔陶瓷可过滤熔融钢水过滤熔融钢水或或高温燃气高温燃气;具有高度开口、内连的具有高度开口、内连的气孔气孔;几何几何表面积与体积比表面积与体积比高;高;孔道分布较均匀孔道分布较均匀,气孔尺寸可控气孔尺寸可控,在孔径为在孔径为0.05600um范围内,可以制出范围内,可以制出所选定孔道尺寸的所选定孔道尺寸的多孔陶瓷制品。
多孔陶瓷制品。
2、表征多孔陶瓷材料特性参数表征多孔陶瓷材料特性参数一般可用下述一般可用下述三个参数三个参数来表征多孔来表征多孔陶瓷材料特性:
陶瓷材料特性:
气孔率气孔率;平均平均孔径孔径、最大孔径和、最大孔径和孔道长度孔道长度;渗透能力渗透能力。
气孔率气孔率把把开口孔道体积开口孔道体积占占材料总体积材料总体积的百分的百分率定义为气孔率。
率定义为气孔率。
最常用的最常用的多孔陶瓷的制备方法多孔陶瓷的制备方法是依靠是依靠骨料粒子堆积骨料粒子堆积而形成孔道。
而形成孔道。
以均一的以均一的球状粒子堆积球状粒子堆积为例,存在为例,存在着着8种堆积可能性种堆积可能性,配位数分别为,配位数分别为6、8、10及两种及两种12(角锥形角锥形配位和配位和四面体四面体配位配位)。
理论计算的理论计算的气孔率气孔率分别为分别为47.6、39.6、30.2和和25.95。
材料成型时的材料成型时的振动振动、加压加压、添加添加剂的用量剂的用量等对最终等对最终气孔率影响气孔率影响很大。
很大。
多孔陶瓷的多孔陶瓷的平均孔径平均孔径可以用可以用水银压入水银压入法法、气泡法气泡法等方法来进行测试。
等方法来进行测试。
测试的基本原理测试的基本原理是假设是假设材料孔道材料孔道均为均为理想毛细管理想毛细管,流体在外力作用下,通过毛,流体在外力作用下,通过毛细管时,将遵循下式:
细管时,将遵循下式:
平均孔径、最大孔径和孔道长度平均孔径、最大孔径和孔道长度式中,式中,D-毛细管直径;毛细管直径;-流体的表面张力;流体的表面张力;P-使流体通过毛细管所需之压力使流体通过毛细管所需之压力;-流体的材料的浸润角。
流体的材料的浸润角。
一般认为,多孔材料用于一般认为,多孔材料用于液体过滤液体过滤时,被滤阻的粒子尺寸为时,被滤阻的粒子尺寸为最大孔径最大孔径的的1/10;多孔材料用于多孔材料用于气体过滤气体过滤时,被滤阻时,被滤阻的粒子尺寸为的粒子尺寸为最大孔径最大孔径的的120。
多孔陶瓷的多孔陶瓷的孔道形状孔道形状复杂而无规则复杂而无规则,因此因此毛细管的实际长度毛细管的实际长度大于大于材料的厚度材料的厚度,两者之比称为两者之比称为扭曲度扭曲度,用符号,用符号表示。
表示。
以以球体的堆积球体的堆积为例,两维的扭曲度:
为例,两维的扭曲度:
实际上,实际上,多为多为l3,它可以,它可以通过测通过测量电阻量电阻而推算出来。
而推算出来。
渗透能力渗透能力在多孔陶瓷材料两侧在多孔陶瓷材料两侧存在一定压力差存在一定压力差的条件下的条件下,材料的渗透能力材料的渗透能力指材料透过流指材料透过流体的能力,一般用体的能力,一般用透气度透气度或或渗透率渗透率来表征。
来表征。
多孔陶瓷材料多孔陶瓷材料是是毛细管的集合体毛细管的集合体,流流体流经毛细管的规律体流经毛细管的规律可用可用Poisewille法则法则来描述:
来描述:
Poisewille法则中:
法则中:
-流经毛细管的流经毛细管的流体流量流体流量;d-毛细管直径;毛细管直径;P-材料两侧的压力差;材料两侧的压力差;L-材料厚度;材料厚度;-流体粘度;流体粘度;-孔道扭曲度。
孔道扭曲度。
由上式可见,由上式可见,毛细管直径毛细管直径d对流体流对流体流量影响最大。
量影响最大。
综合考虑综合考虑多孔陶瓷使用时的具体要多孔陶瓷使用时的具体要求求以确定上述几项指标,是研制多孔材以确定上述几项指标,是研制多孔材料的关键。
料的关键。
3、多孔陶瓷的制备、多孔陶瓷的制备3.1粒状粒状陶瓷的制备陶瓷的制备3.2蜂窝蜂窝陶瓷的制备陶瓷的制备3.3泡沫泡沫陶瓷的制备陶瓷的制备3.1粒状陶瓷粒状陶瓷一般是将粒状一般是将粒状陶瓷骨料陶瓷骨料和和玻璃质玻璃质、粘粘土质粘结剂土质粘结剂与与成孔剂成孔剂混合、成型、干燥、混合、成型、干燥、烧成。
烧成。
其中,其中,骨料骨料包括包括Al2O3、SiC和玻璃等。
和玻璃等。
成孔剂成孔剂分为分为可燃性物质可燃性物质(如碳粒如碳粒)和和高高温时分解产生气体的物质温时分解产生气体的物质(如碳酸钙如碳酸钙)。
在烧结时在烧结时成孔剂分解成孔剂分解,逸出气体起,逸出气体起发发泡作用泡作用,形成连通开孔。
,形成连通开孔。
粘结剂粘结剂在烧结时在烧结时熔融熔融,形成液相烧结,形成液相烧结,将骨料颗粒结合起来;同时,在骨料之间形将骨料颗粒结合起来;同时,在骨料之间形成孔隙。
成孔隙。
粒状多孔陶瓷粒状多孔陶瓷除除气孔率较大气孔率较大外,同一般外,同一般陶瓷烧结体无大差别。
陶瓷烧结体无大差别。
3.2蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷蜂窝陶瓷是采用是采用机械加工方法机械加工方法制成许制成许多多平行直线开孔平行直线开孔,孔径,孔径110mm的薄壁多孔的薄壁多孔结构。
结构。
3.3泡沫陶瓷泡沫陶瓷泡沫陶瓷的结构是泡沫陶瓷的结构是在三维空间在三维空间重复的十重复的十二面体二面体复杂图形。
复杂图形。
泡沫陶瓷泡沫陶瓷气孔尺寸范围气孔尺寸范围可从可从1.2孔孔/cm的的最大孔到最大孔到39.37孔孔/cm的极细孔。
的极细孔。
泡沫陶瓷的泡沫陶瓷的制造方法制造方法略有别于略有别于一般一般陶瓷工艺陶瓷工艺,它采用特别严密的,它采用特别严密的软质泡沫软质泡沫塑料塑料(如聚氨酯如聚氨酯)为载体,进而加工成所为载体,进而加工成所需形状、尺寸等需形状、尺寸等。
有机材料有机材料在陶瓷料浆注入后在陶瓷料浆注入后能恢复原状能恢复原状并足以弹回并足以弹回而没有过量的变形,留下而没有过量的变形,留下涂覆在涂覆在泡沫纤维上的泡沫纤维上的陶瓷,然后,经干燥、高温烧陶瓷,然后,经干燥、高温烧结,进而完全烧尽聚合物,最后余下一个结,进而完全烧尽聚合物,最后余下一个内内连开口气孔连开口气孔三维网状骨架三维网状骨架和和孔隙结构孔隙结构(即泡即泡沫结构沫结构)的的纯粹陶瓷复制品纯粹陶瓷复制品。
泡沫陶瓷泡沫陶瓷必须具有必须具有适于作为栽体所具适于作为栽体所具有的有的高空隙体积结构高空隙体积结构,如,如sotfoam公司提供公司提供的一种的一种聚氨酯泡沫聚氨酯泡沫,具有独特的十二边,具有独特的十二边内内连气孔连气孔晶胞结构,能提供晶胞结构,能提供97的的空隙体积空隙体积。
陶瓷粉末陶瓷粉末必须混合成必须混合成触变形料浆触变形料浆,即,即流动时比静态时粘度较低流动时比静态时粘度较低。
这种这种触变形触变形有利于有利于泡沫纤维的适宜涂泡沫纤维的适宜涂覆覆,而且没有,而且没有过量的排液过量的排液。
陶瓷料浆组成陶瓷料浆组成,通常为,通常为固体粉末固体粉末(重量重量)1040水水。
为了获得更好的性能,可分别添加为了获得更好的性能,可分别添加15的的莫来石莫来石、二氧化锆二氧化锆、氧化镁氧化镁。
一种陶瓷料浆的组成,见下表所示:
一种陶瓷料浆的组成,见下表所示:
陶瓷料浆的组成陶瓷料浆的组成原料原料原料原料一般含量一般含量一般含量一般含量/%/%较好含量较好含量较好含量较好含量/%AlAl22OO33CrCr22OO33AlPOAlPO44膨润土膨润土膨润土膨润土高岭土高岭土高岭土高岭土409540951251250.1120.1120.1120.1122.1252.12545554555101710170.520.52252512171217组成原料的作用组成原料的作用Al2O3-基体材料基体材料,它与铜、铝熔体,它与铜、铝熔体不起化学反应;不起化学反应;Cr2O3-与与Al2O3配合,有很好的配合,有很好的耐高耐高温温性能和性能和抗金属熔体腐蚀抗金属熔体腐蚀性能;性能;膨润土膨润土-泡沫结构材料的泡沫结构材料的粘结剂粘结剂,烧结时烧结时产生玻璃相产生玻璃相,增加流动性增加流动性;高岭土高岭土-与膨润土有相似作用;与膨润土有相似作用;AlPO4-是一种是一种空气固化剂空气固化剂或或粘结剂粘结剂,无需加热无需加热即可使陶瓷浆硬化即可使陶瓷浆硬化(但最好还是但最好还是经烘干经烘干),它与,它与金属熔体金属熔体不起化学反应。
不起化学反应。
AlPO4最好配成最好配成50水溶液水溶液使用。
使用。
4、多孔陶瓷的形成机理、多孔陶瓷的形成机理
(1)利用利用骨料颗粒的堆积骨料颗粒的堆积,粘接形成多,粘接形成多孔陶瓷。
孔陶瓷。
多孔陶瓷形成过程中,传质过程是不多孔陶瓷形成过程中,传质过程是不连续的。
连续的。
骨料颗粒间的连接骨料颗粒间的连接主要有以下两主要有以下两种方式:
种方式:
依靠依靠添加添加与其组分相同的与其组分相同的微细颗微细颗粒粒,利用其,利用其易于烧结易于烧结的特点,的特点,在一定的温在一定的温度下度下,将大颗粒连接起来。
,将大颗粒连接起来。
使用一些使用一些添加剂添加剂,它们在高温下或,它们在高温下或能生成能生成膨胀系数和化学组分膨胀系数和化学组分与骨料与骨料相匹相匹配配又能与骨料又能与骨料相浸润相浸润的液相的液相,或是,或是能与能与骨料间发生骨料间发生固相反应固相反应将骨料颗粒连接。
将骨料颗粒连接。
骨料颗粒堆积、粘接而形成的多孔陶瓷骨料颗粒堆积、粘接而形成的多孔陶瓷每一粒每一粒骨料骨料骨料骨料仅在仅在几个点上几个点上与其他颗粒与其他颗粒与其他颗粒与其他颗粒发生连发生连接接(见下图见下图),形成大量的,形成大量的三维贯通孔道三维贯通孔道三维贯通孔道三维贯通孔道。
一般来说,利用一般来说,利用骨料颗粒的堆积骨料颗粒的堆积、粘粘接接所形成的所形成的多孔陶瓷材料多孔陶瓷材料中,有下面的中,有下面的规律:
规律:
骨料颗粒尺寸越大骨料颗粒尺寸越大,形成的,形成的平均平均孔径孔径越大;越大;骨料颗粒骨料颗粒尺寸分布范围越窄尺寸分布范围越窄,所得,所得到的到的多孔陶瓷微孔的分布多孔陶瓷微孔的分布就越均匀。
就越均匀。
由于由于添加剂与骨料添加剂与骨料间可能发生间可能发生固相固相反应反应、扩散扩散、液相浸润液相浸润、液相反应液相反应等相等相互作用,使多孔材料互作用,使多孔材料在烧成时在烧成时产生一定产生一定的的收缩收缩。
因此,添加剂的因此,添加剂的种类、数量、烧成种类、数量、烧成温度、时间、气
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- 多孔 陶瓷