碳化硅多孔陶瓷等静压成型工艺研究

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碳化硅多孔陶瓷材料以其优异的性能,已经应用于多个领域,而原材料选择苛刻及制备技术复杂等问题的存在,限制了其进一步发展应用。等静压成型陶瓷制品具有压坯密度大、压坯密度均匀一致、制品长径比大、形状复杂等优点。而开发具有凹槽、空心和封底等异形复杂形状的多孔陶瓷成型方法是陶瓷领域的研究热点。本文重点研究等静压技术成型烛式结构碳化硅多孔陶瓷制品工艺中的骨料颗粒形貌、造孔剂种类及加入量、结合剂种类、粒度及加入量、烧成和成型工艺参数对多孔陶瓷性能的影响规律,多孔陶瓷的优化制备工艺参数,以期提高多孔陶瓷的使用性能。通过对骨料采取不同的处理方式,制备得到不同的骨料颗粒,研究了颗粒形貌和造孔剂种类对样品性能的影响。结果表明,采用气流磨制备的碳化硅骨料颗粒形貌较好,棱角少,无明显尖锐状颗粒,近似球形,且粒径分布集中,制备的多孔陶瓷材料的气孔率高、孔径均匀、透气性能好、阻力小。采用木质纤维素作为造孔剂制备多孔陶瓷,其综合性能优于核桃壳粉,将木质纤维素的加入量调节到9 wt%,可得到气孔率≥36%,透气阻力≤150 Pa的多孔陶瓷样品。通过碳化硅多孔陶瓷材料所用结合剂配方体系的选择、结合剂粒度及加入量等对性能影响的研究表明,粘土结合碳化硅制备多孔陶瓷方法简洁,技术可行,工艺可控。在适当的烧结温度下,高温结合剂与骨料之间能充分反应结合,孔道光滑,颗粒间结合牢固。当选择粒度为D50=2μm的结合剂时,多孔陶瓷试样的力学性能较好。通过对结合剂不同用量试样性能进行比较,发现7 wt%的结合剂用量,可使试样达到抗弯强度≥20 MPa,气孔率≥32%。成型压力、保压时间和震动时间对生坯强度、制品成型合格率和制品均一性有重要影响。成型压力对坯体作用明显,随压力增加,坯体由粉块状逐步变为管状、烛状,强度逐步增加;制品强度随压力增大迅速增加达到极限后逐步平稳,样品气孔率随压力增大而降低,成型压力对孔径影响较小。保压时间对坯体力学性能影响较大,保压时间增加,坯体强度迅速增加,保压达到60 s,强度接近极限。随保压时间增加,烧成品气孔率和孔径降低,力学性能提高。装模震动时间对制品抗弯强度、气孔率和孔径影响较小,震动仅增大了样品重量和尺寸,促使透气阻力有增加趋势。本研究获得优化震动时间为10 s、保压时间为60 s,成型压力为70 MPa。通过对比不同烧结温度下的样品性能,发现将烧结温度控制在1390~1430℃之间,可得到抗弯强度≥22 MPa,气孔率≥34%,孔径66~69μm,阻力≤150 Pa的均匀样品。
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