稀土氧化物改性高贯通性多孔陶瓷的制备及其性能研究

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论文对稀土氧化物改性高贯通性复合定向多孔陶瓷的制备及其性能进行了研究,采用定向冷冻干燥法,以亚微米Al2O3粉末为主要材料,稀土氧化物为改性剂,陶瓷水体剂为分散剂和粘结剂,采用玻璃粉、水洗高岭土为液相烧结助剂和固相烧结助剂,制备了纳/微米Al2O3复合定向多孔陶瓷和氧化铝/高岭土复合定向多孔陶瓷,研究了不同工艺因素对两种复合定向多孔陶瓷性能的影响,主要内容如下:  (1)研究了冷冻温度、冷冻导热介质、烧成温度、球磨方式等工艺参数对纳/微米氧化铝复合定向多孔陶瓷孔隙大小、贯通性及抗压强度的影响。研究结果表明:采用石蜡为导热介质的复合定向多孔陶瓷的贯通性要高于铁和铜导热介质;复合定向多孔陶瓷的孔径和片层间壁厚均随冷冻温度下降而逐渐减小;采用高能机械球磨法制备的定向多孔陶瓷强度和体积密度均高于未经高能球磨法所制备的定向多孔陶瓷。  (2)研究了纳米和微米氧化铝混合比例、稀土La2O3添加量、烧结温度和混合稀土氧化物的添加量对纳/微米Al2O3复合定向多孔陶瓷性能的影响。发现当微米Al2O3:纳米Al2O3=2:1时,多孔陶瓷样品能同时具有较小收缩率、较高显气孔率和抗压强度,并对其作用机理进行了分析;La2O3添加量为2.5%,烧结温度为800℃时,保温60min,可制得显气孔率为78.9%和抗压强度为12.3MPa的纳/微米氧化铝复合定向多孔陶瓷;当烧结温度为750℃时,复合定向多孔陶瓷烧结致密性最好,抗压强度最高;当添加混合稀土比例为2.5%La2O3+2.0%CeO2时,样品的抗压强度可达到13.9MPa,比单独添加2.5%La2O3提高了13.1%,同时体积密度提高了8.3%。  (3)采用了水洗高岭土为固相烧结助剂、La2O3为改性剂,经过高温固相烧结,制备了耐高温的氧化铝/高岭土复合定向多孔陶瓷。研究了La2O3添加量、烧成温度等因素对氧化铝/高岭土复合定向多孔陶瓷的影响。结果表明:当La2O3添加量为2.0%、在1350℃烧结时,制备的多孔材料样品显气孔率为82.3%,样品的抗压强度达到10.5MPa;当La2O3添加量达到3.0%,在1600℃烧结时,多孔陶瓷的抗压强度达到15.2MPa,较不掺加La2O3时提高了53%。其中水洗高岭土和Al2O3在高温时发生固相反应,生成了Al6Si2O13、Al2SiO5相,La2O3的添加有助于改善多孔陶瓷烧结后的显微结构,促进了复合定向多孔陶瓷片层间壁面的致密化。  (4)测试了定向冷冻干燥法制备的复合定向多孔陶瓷的过滤性能参数,研究了复合定向多孔陶瓷厚度与透气量、过滤速率与压强之间的关系。结果表明:复合定向多孔陶瓷单位面积透气量随厚度减小而呈指数增大;复合定向多孔陶瓷的过滤风速与过滤压强基本呈线性关系。制备了薄片状和异形状的复合定向多孔陶瓷,可以预测,复合定向多孔陶瓷在高温气体净化和吸附等领域有一定的应用价值。
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