多孔陶瓷膜支撑体的制备研究进展

多孔陶瓷膜支撑体是陶瓷膜制备与应用的基础.本文概述了多孔陶瓷膜支撑体主要的制备工艺及其特点;探讨了制备过程中影响多孔陶瓷膜支撑体结构及性能的因素;综述了多孔陶瓷膜支撑体研究现状,并对多孔陶瓷膜支撑体的发展趋势进行了展望.     

多孔氧化铝陶瓷膜支撑体在HNO3溶液中的静态腐蚀

研究了在温度为45~90℃、浓度为1~10 mol/L的HNO3溶液中,高铝多孔陶瓷膜支撑体的微观结构变化、质量损失率与时间的关系以及支撑体机械强度随其质量损失率的变化关系。结果表明,多孔氧化铝支撑体在酸性溶液中的腐蚀主要发生在支撑体颗粒之间的烧结颈部。建立了多孔支撑体的质量损失率与腐蚀时间的定量数学关系,并结合支撑体机械强度与其质量损失率的关系,对多孔支撑体在不同温度和浓度HNO3溶液中的使用寿命进行了预测。研究表明,多孔陶瓷膜支撑体具有优异的耐酸性能。     

多通道陶瓷膜支撑体烧成制度的探讨

研究了陶瓷膜支撑体烧结温度与孔隙率/收缩率的关系，利用热重/差热分析，确定了陶瓷膜支撑体的烧结温度曲线。结果表明，在1450℃下保温2小时制备的多通道陶瓷膜支撑体无开裂，机械性能完全可满足使用要求，所制备的支撑体可以作为载体进一步开发微滤膜或超滤膜。     

烧结温度对黄土陶瓷膜支撑体性能的影响

实验以洛川黄土为骨料,十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为烧结助剂.利用滚压成型法、固态离子烧结法来制备黄土陶瓷膜支撑体,并对制备的支撑体的性能影响因素进行了探究.通过压汞法、三点弯曲法、X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及自制装置对支撑体试样进行测试.分别研究孔径分布、孔隙率、抗折强度、晶相变化、表面形貌、酸碱腐蚀率以及纯水通量等对黄土陶瓷膜支撑体性能的影响.研究结果表明:十二烷基苯磺酸钠能显著降低黄土陶瓷膜烧结时候的温度.当烧结温度小于1000℃时,支撑体中没有新物质生成;当烧结温度大于1090℃时,纯水通量随烧结温度的升高呈现出下降趋势;当烧结温度恰好达到1070℃,此时制得的支撑体性能良好,中值孔径为6975.9 nm、抗折强度37.83 MPa、孔隙率20.65％、纯水通量1943.70 L/(m2·h·MPa)、酸/碱腐蚀率0.340％/0.195％.     

高温除尘碳化硅膜的制备及其抗腐蚀特性

采用喷涂法在碳化硅（SiC）支撑体上覆膜,根据碳化硅材料的氧化特性,设计了有氧烧结和氩气烧结随温度转换的组合烧结制度,并通过优化保温时间降低碳化硅陶瓷膜烧结成本。研究结果表明,新的烧结制度能有效地控制有氧烧结阶段产生的二氧化硅（SiO₂）量,并促进其与烧结助剂氧化锆（ZrO₂）等在气氛烧结阶段的反应,反应生成的锆英石相和添加莫来石相共同形成SiC颗粒连接颈部。制备的碳化硅陶瓷膜平均孔径为3.03 μm,气体通量为175 m³?m^-2?h^-1?kPa^-1。且在100℃的0.25 mol?L^-1的H₂SO₄溶液和0.25 mol?L^-1的NaOH溶液中腐蚀6 h后,膜层表面形貌无明显变化,具有较强的抗腐蚀性能。     

高岭土为助烧剂制备多孔陶瓷膜支撑体

陶瓷膜分离技术广泛应用于石油化工,食品加工,生物医学,催化过滤等领域。目前,陶瓷膜的多孔支撑体主要以氧化铝为原料。为保持较小的渗透阻力,通常使用大粒径氧化铝的,其煅烧时需要很高的温度,能耗很高,导致多孔支撑体的成本很高。为降低其制备成本,本文采用以刚玉粉(W40,平均粒径为40μm)为主要原料,以高岭土,滑石等为塑性剂和助烧剂,研究了助烧剂含量、烧结温度对多孔陶瓷支撑体的抗折强度,孔隙率以及平均孔径的影响。实验结果表明:高岭土含量的增加会导致多孔陶瓷的孔径降低和抗折强度降低;加少量的烧滑石能明显降低多孔陶瓷的烧结温度;90wt%W40粉,2wt%烧滑石,8wt%高岭土,经1510℃煅烧2h后得到的多孔陶瓷的抗折强度为153.6MPa,孔隙率为29%,平均孔径为6.6μm。所得多孔陶瓷适于用作多孔陶瓷膜支撑体。     

添加碱式碳酸镁对多孔SiC膜支撑体性能的影响

为节约制作成本,降低SiC陶瓷膜支撑体烧结温度,以SiC和ρ-Al_2O_3为主要原料,采用碱式碳酸镁(BMC,外加质量分数分别为0、0. 5%、1%和1. 5%)为助烧结剂,于1 300～1 420℃无压烧结制备出原位反应结合SiC支撑体,并研究了BMC添加量对支撑体性能的影响。结果表明:添加BMC加剧了SiC表面氧化,使原位反应结合温度降低(1 300℃),促进SiC颗粒间颈部形成,提高了试样的强度;当BMC添加量从0. 5%逐渐增加到1. 5%,试样在不同温度烧后的显气孔率逐渐降低; BMC助烧剂的最佳添加量为1. 0%(w),在1 360℃烧后制备的多孔SiC支撑体的常温抗折强度为25. 3 MPa,是未添加助烧剂的2. 7倍,且在1 050℃风冷热震5次后,常温抗折强度保持率90%以上,热震后的常温抗折强度19 MPa以上,可满足高温烟气净化用膜支撑体的指标要求。     

SiC耐磨材料制备的研究进展

综合评述了国内外SiC耐磨材料诸多制备方法的现状和进展,并指出无压烧结和反应烧结是目前SiC耐磨材料工业化制备最可行的方法。反应烧结法制备SiC耐磨材料工艺比较简单,可以适合多种规格、形状的产品制备,产品的密度比较大,而且由于制备时SiC的取向排列,使SiC材料在使用过程中的自润滑性能好,耐磨性好;无压烧结法通过添加不同的烧结助剂,可以在较低温度(约1850℃)下制备高密度SiC耐磨材料,而且通过今后对复合稀土氧化物烧结助剂的研究,还有望进一步降低SiC耐磨材料的制备温度。     

多孔陶瓷膜支撑体在HNO_3溶液中的腐蚀性能研究

为了考察陶瓷膜在苛刻体系中的应用性能,研究了管式多孔陶瓷膜支撑体(质量分数99%Al2O3)在硝酸溶液(温度20—90℃,浓度1—10 mol/L)中的微观结构演变、质量损失率、腐蚀掉的元素成分随时间的关系,以及支撑体的孔结构、纯水通量和机械强度随其质量损失率的变化关系。结果表明主要在支撑体颗粒间的烧结颈部发生了选择性的腐蚀,在腐蚀初期其质量损失主要是由于烧结颈部中Na,Ca,Al等元素的溶解。支撑体的耐腐蚀性能与其烧结颈部的杂质含量密切相关。多孔支撑体的机械强度随支撑体在HNO3溶液中的质量损失率增大而逐渐降低。所用的多孔陶瓷膜支撑体具有优异的耐腐蚀性能。该研究为进一步提高支撑体的耐腐蚀性能及预测陶瓷膜在酸性环境中的使用性能奠定了基础。     

多孔重结晶碳化硅陶瓷的烧结颈结构调控与力学性能

结合气固反应和重结晶烧结,制备了烧结颈结构可控的多孔重结晶SiC陶瓷。首先以微米SiC颗粒作为骨架,通过SiO气体和纳米炭黑的高温气固反应得到纳米碳化硅均匀分布的预烧结体;再对预烧结体进行重结晶处理,通过纳米SiC颗粒的低温蒸发凝聚获取高纯度的SiC多孔陶瓷。研究了重结晶过程中烧结温度对多孔SiC陶瓷的烧结颈、显微形貌、以及力学性能的影响规律。结果表明:SiC晶粒之间的烧结颈参数(烧结颈直径/微米SiC晶粒直径,d/d0)决定了多孔材料的抗弯强度。随着烧结温度增加,纳米SiC颗粒的饱和蒸气压升高,加速了蒸发–凝聚的进行,物质传输总量增加,多孔SiC材料的d/d0值增加,抗弯强度迅速升高,达到峰值后,基本保持不变或者略有下降。温度高于2100℃时,骨架SiC微米颗粒会发生分解反应产生残碳,导致材料的抗弯强度降低。原位合成的纳米SiC含量为20%,在Ar气氛中于2000℃保温1h后,材料组织性能最优,烧结颈面积的平均值为15.91μm~2,d/d_0值为99.7%,气孔率为42.4%,抗弯强度高达75.7MPa,其性能优于商用柴油颗粒物过滤材料。     

SiO_2/Al_2O_3复合多孔陶瓷膜支撑体的制备

以不同质量比的氧化铝和二氧化硅为原料,碳粉为造孔剂,二氧化钛以及氧化镁为烧结助剂,添加甲基纤维素为粘结剂在一定温度下制得多孔陶瓷膜支撑体,并研究了不同质量比的氧化铝和二氧化硅,烧结温度对支撑体微观结构以及收缩率、孔隙率和抗压强度的影响。结果表明,在硅铝质量比为1.0∶1.0,保温温度为1200℃时,支撑体综合性能较好:收缩率为3.61%,孔隙率为47.62%,抗压强度为23.14 MPa,此时主晶相为莫来石。     

高温除尘碳化硅膜的制备及其抗腐蚀特性

采用喷涂法在碳化硅(SiC)支撑体上覆膜,根据碳化硅材料的氧化特性,设计了有氧烧结和氩气烧结随温度转换的组合烧结制度,并通过优化保温时间降低碳化硅陶瓷膜烧结成本。研究结果表明,新的烧结制度能有效地控制有氧烧结阶段产生的二氧化硅(SiO_2)量,并促进其与烧结助剂氧化锆(ZrO_2)等在气氛烧结阶段的反应,反应生成的锆英石相和添加莫来石相共同形成SiC颗粒连接颈部。制备的碳化硅陶瓷膜平均孔径为3.03μm,气体通量为175 m~3?m~(-2)?h~(-1)?kPa~(-1)。且在100℃的0.25 mol?L~(-1)的H_2SO_4溶液和0.25 mol?L~(-1)的NaOH溶液中腐蚀6 h后,膜层表面形貌无明显变化,具有较强的抗腐蚀性能。     

多孔碳化硅陶瓷的原位氧化反应制备及其性能

以SiC为陶瓷骨料,Al2O3作为添加剂,通过原位氧化反应制备了Sic多孔陶瓷,并对其氧化反应特性及性能进行了研究.结果表明:在1 300～1 500℃,随烧结温度的升高,SiC的氧化程度增加,SiC多孔陶瓷的强度逐渐增加,但开口孔隙率有所降低.莫来石相在1 500℃开始生成·当烧结温度升高到1 550℃时,莫来石大量生成,得到了孔结构相互贯通且颈部发育良好的莫来石结合SiC多孔陶瓷;由于在SiC颗粒表面上覆盖了致密的莫来石层,SiC的氧化受到抑制,开口孔隙率因而升高,SiC多孔陶瓷的强度因莫来石的大量生成而增加.由平均粒径为5.0um的SiC,并添加20%(质量分数)Al2O3,经1 550℃烧结2h制备的SiC多孔陶瓷具有良好的性能,其抗弯强度为158.7MPa、开口孔隙率为27.7%.     

天然矿物低成本制备多孔陶瓷支撑体

陶瓷支撑体是多孔陶瓷膜应用的基础。对于传统陶瓷支撑体(如氧化铝),昂贵的原料价格及较高的烧结成本限制了其进一步应用。因此,选用合适的天然矿物原料来实现陶瓷支撑体的低成本制备成为当前研究重点。本工作以高岭土、滑石、碳酸钙为原料,制备出系列多孔陶瓷支撑体。采用热膨胀仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、压汞仪、万能试验机对坯体的烧结特性以及多孔陶瓷支撑体的物相组成、显微结构、孔径尺寸分布、抗弯强度和耐酸碱腐蚀性进行了研究。结果表明：坯体具有优良的低温烧结特性,通过化学反应烧结机制实现了多孔陶瓷支撑体的制备。烧结温度在1 000～1 200℃间较为适宜,所得支撑体的显微结构均匀,孔径呈单峰分布,开口气孔率、平均孔径尺寸、抗弯强度、0.1 MPa气体压力差下氮气通量分别为49.8%～49.4%、1.09～1.83μm、40.57～28.85 MPa、119～340 m3·m–2·h–1,同时具有良好的耐碱腐蚀性能。     

烧结制度及造孔剂用量对粉煤灰基多孔陶瓷膜支撑体性能的影响

以粉煤灰为原料,采用挤压成型和固态粒子烧结法制备管状粉煤灰基多孔陶瓷膜支撑体.采用TG-DSC技术对粉煤灰进行了热分析,采用SEM和XRD技术对样品的微观结构及物相组成进行了分析,并测定了样品的开孔率、抗压强度及空气渗透速率等性能指标.研究了烧结温度、保温时间和造孔剂添加量对支撑体性能的影响.结果表明:支撑体晶相组成主要为赤铁矿、红柱石和石英;烧结温度为1000 ℃,保温2 h,仅添加1%的粘结剂,不添加造孔剂的条件下制备出的管状支撑体综合性能最优,此时的支撑体孔隙率为44.95%,抗压强度为8.92 MPa,空气渗透速率为2.57×104 m3·h-1·m-2·MPa-1.     

烧结助剂对低温制备碳化硅多孔陶瓷性能的影响

分别采用十二烷基苯磺酸钠、氢氧化钠以及NaA分子筛残渣为烧结助剂,碳粉为造孔剂,干压法成型,在1150℃空气气氛下烧结制备碳化硅多孔陶瓷支撑体。考察了助剂添加量对微结构、平均孔径、孔隙率以及抗热震性等方面的影响;分析了添加助剂的低温烧成机理。研究结果表明：三种添加剂均有助于提高支撑体的气体渗透性、抗弯强度和耐热震性;添加NaA分子筛残渣助烧结剂获得的碳化硅多孔陶瓷各项性能最佳,气体渗透率为1300 m³/(m²·h·kPa),强度可达27 MPa,且抗热震性能良好。     

烧结助剂CuO掺杂对黄土基陶瓷支撑体性能的影响

采用传统固相烧结法制备黄土基陶瓷支撑体,利用X射线衍射仪、扫描电镜等探讨烧结助剂CuO对陶瓷晶相结构、微观形貌及宏观性能的影响规律,测定了样品的抗折强度、水通量、酸碱腐蚀率等性能指标。结果表明:添加CuO能有效降低黄土基陶瓷支撑体的烧结温度。支撑体微观晶相组成主要为石英、蓝晶石和尖晶石。在固液传质作用下,陶瓷晶粒明显长大,形状改变。烧结温度为1030℃,保温2h,添加1.5wt%烧结助剂CuO的条件下制备出的管状支撑体综合性能最优,此时支撑体的抗折强度为32.19MPa、纯水通量为1590.02L·(m~2·h·MPa)~(-1)、酸碱腐蚀率为0.01/0.009。     

SiC多孔陶瓷预成形坯的制备

本文采用真空烧结方法制备SiC多孔陶瓷预成形坯,研究了不同助烧结剂Al2O3-Y2O3、Si、Co和高岭土以及造孔剂羧甲基纤维素(CMC)含量对SiC多孔陶瓷预成形坯气孔率和形貌的影响。结果表明,多元助烧剂Al2O3-Y2O3有利于降低烧结温度和形成液相烧结,并有利于提高SiC多孔陶瓷的孔结构稳定性;羧甲基纤维素含量对烧结预成形坯气孔率和体积密度的影响较大,随着造孔剂CMC含量的增加,SiC多孔陶瓷的气孔率也相应地增加,其体积密度相应减少。     

烧结温度对氧化铝陶瓷膜支撑体性能的影响

实验以α-Al_2O_3为骨料,TiO_2-MnO_2-MgO为复相烧结助剂,采用挤压成型法和固态粒子烧结法制备Al_2O_3陶瓷膜支撑体,并探究烧结温度对陶瓷膜支撑体性能的影响。通过压汞法、自制纯水通量测定装置、三点弯曲法、质量损失法、X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等方法对α-Al_2O_3陶瓷支撑体的孔隙率、纯水通量、抗折强度、酸碱腐蚀率、晶相变化以及表面形貌等微观结构进行分析表征。研究结果表明:TiO_2-MnO_2-MgO能显著降低α-Al_2O_3陶瓷支撑体的烧结温度,烧结温度低于800℃,无法提供足够的激活能,支撑体没有新相生成;超过1 300℃时,支撑体纯水通量随着烧结温度升高而急剧下降。当烧结温度为1 300℃时,制得的支撑体性能良好,孔隙率达到了44.84%、抗折强度为80.21 MPa、纯水通量为8 979.37 L/(m~2·h·MPa)、酸/碱腐蚀质量损失率为0.87%/1.09%。     

水基冷冻干燥工艺制备层状结构多孔SiC陶瓷

以微米级SiC粉体为原料,利用冷冻干燥和原位反应烧结制备了具有层状孔道结构的SiC多孔陶瓷.XRD分析表明多孔陶瓷的主相是α-SiC,结合相是方石英;SEM观察到多孔陶瓷具有相互连通的开孔结构;多孔SiC陶瓷的总孔隙率和开孔隙率随固相含量和烧结温度的增加而下降.多孔陶瓷的孔径分布呈现双峰分布特点,大孔孔径峰值介于20～80 μm,小孔孔径峰值为0.5～0.9 μm.在原位反应烧结过程中,在1100℃以上SiC开始发生氧化形成SiO2结合的多孔SiC陶瓷,显著提高了陶瓷的压缩强度.随着烧结温度从1000℃提高到1500℃,固相含量为30vol%的多孔SiC陶瓷开孔率从68.9%下降到61.8%,压缩强度由5.5 MPa升至25.5 MPa.