仲伯煊 戴子劍 金江 祝社民

(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210009)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，各種工業(yè)廢氣、廢物、廢水排放量急劇增加，環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，保護(hù)環(huán)境的理念越來(lái)越深入人心。多孔陶瓷作為一種綠色環(huán)保材料，應(yīng)用的范圍不斷延伸，尤其是作為催化劑載體，近幾年得到了飛速發(fā)展。但由于多孔陶瓷載體在成型的時(shí)候水分含量比較多，孔隙多，在干燥階段易開(kāi)裂，尤其當(dāng)材料尺寸比較大的時(shí)候。作者在材料干燥階段也遇到了同樣的難題。有人[1]通過(guò)往集料加入適量增強(qiáng)體的方法，增加陶瓷的韌性，緩解陶瓷太脆的問(wèn)題。故作者決定采用氧化鋁質(zhì)短纖維作為增強(qiáng)材料，添加少量添加劑（CMC，TiO2）以及造孔劑，制備氧化鋁纖維增強(qiáng)多孔陶瓷。本文探討了不同溫度下氧化鋁纖維含量對(duì)于多孔陶瓷的收縮率、氣孔率、抗折強(qiáng)度以及干燥開(kāi)裂的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料制備

以二氧化鈦、氧化鋁等為集料，添加適量輔料按照一定的比例配料。然后按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、2%、4%、6%、8%往等質(zhì)量集料中分別加入不同含量氧化鋁纖維，按照料∶球=1∶1球磨1小時(shí)，過(guò)80目篩網(wǎng)。編號(hào)1#料～5#料。取1#～5#料等量，加入適量溶劑，混合均勻，陳腐24h,通過(guò)小型液壓成型機(jī)擠壓成棒型，烘干（100℃,12h），常壓燒結(jié)至指定溫度，保溫2h，隨爐冷至室溫。再取1#～5#樣等量，利用液壓機(jī)干壓成型，10Mpa保壓1分鐘，常壓燒結(jié)，制得長(zhǎng)方體試樣尺寸為：68mm×7.5mm×5mm。樣品燒結(jié)溫度分別為750℃、800℃、850℃、900℃。

1.2 材料測(cè)試

利用試樣干燥（燒結(jié)）前后長(zhǎng)度差與干燥前長(zhǎng)度的百分比計(jì)算試樣的干燥（燒結(jié)）收縮率；利用Archimedes法測(cè)定試樣的顯氣孔率；三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)定采用萬(wàn)能力學(xué)機(jī)，跨距為50mm，加載速率為0.5mm/min，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)試6個(gè)試樣，結(jié)果取平均值。采用日本電子公司的JSM-5900型掃描電鏡對(duì)試樣斷面進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維含量對(duì)多孔陶瓷收縮率的影響

圖1為不同溫度和不同的纖維含量對(duì)于多孔陶瓷收縮率的影響。隨著燒結(jié)溫度的升高，材料的收縮率不斷變大；隨著纖維含量的增加，材料的收縮不斷減小。前者是由燒結(jié)本質(zhì)決定的—隨著燒結(jié)程度的加深，顆粒接觸面積擴(kuò)大，顆粒中心距變小，材料收縮變大[2]。后者是由纖維所處的位置造成的。材料在成型完成時(shí)，由于機(jī)械力作用，顆粒之間只有點(diǎn)接觸，坯體顆粒間含有大量空氣的孔隙，纖維加入后，纖維就分布在這些孔隙中。燒結(jié)完成時(shí)，由于纖維的存在，本應(yīng)消失的氣孔并沒(méi)有消失，故材料收縮率不斷減小。

2.2 纖維含量對(duì)多孔陶瓷顯氣孔率的影響

圖2是不同燒結(jié)溫度和不同氧化鋁纖維含量對(duì)樣品顯氣孔率的影響。隨著燒結(jié)溫度的升高，材料的顯氣孔率變??；隨著纖維含量的增加，材料的顯氣孔率先增加后減小。前者是由燒結(jié)本質(zhì)決定的，后者是因?yàn)樯倭坷w維的加入，材料顆粒之間易形成新的氣孔。隨著纖維含量的增加，纖維在材料中不易分散均勻，容易形成團(tuán)聚，纖維團(tuán)聚導(dǎo)致氣孔率降低，故氣孔率先升后降。

2.3 纖維含量對(duì)多孔陶瓷力學(xué)性能的影響

圖3是不同纖維含量下燒結(jié)溫度對(duì)多孔陶瓷力學(xué)性能的影響。隨著燒結(jié)溫度的升高，材料的抗折強(qiáng)度不斷升高；隨著纖維含量的增加，材料的抗折強(qiáng)度先增加后減小。前者是陶瓷燒結(jié)本質(zhì)決定的，陶瓷燒結(jié)其實(shí)就是坯體由疏松到致密，強(qiáng)度由小變大的過(guò)程。后者是由于當(dāng)纖維量很少的時(shí)候，纖維在材料中很易分散。在材料的裂紋處，纖維可以通過(guò)橋聯(lián)或者裂紋偏轉(zhuǎn)分散裂紋尖端的應(yīng)力。樣品在受到載荷后，基體在壓力的作用下首先開(kāi)裂，纖維與基體界面結(jié)合較強(qiáng)處，纖維和基體同時(shí)在基體的斷裂應(yīng)變下發(fā)生斷裂，纖維的斷裂將吸收一部分能量從而使材料的彎曲強(qiáng)度升高；纖維與基體結(jié)合較弱處，當(dāng)裂紋從基體擴(kuò)展到界面時(shí)，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂紋受的拉應(yīng)力往往降低而使裂紋的擴(kuò)展路徑變長(zhǎng)，也會(huì)使材料的彎曲強(qiáng)度變大[2]。

2.4 纖維對(duì)陶瓷干燥影響的分析

陶瓷坯體一般含有5%～25%的水份，坯體中水份可分為物理水（自由水和大氣吸附水）和化學(xué)水（化學(xué)水在干燥過(guò)程中是不能排除的），陶瓷坯體的干燥其實(shí)就是排除自由水和吸附水的過(guò)程。作者所做的多孔陶瓷尺寸大，在擠壓過(guò)程中由于原料、設(shè)備等原因，擠出的坯體中存在一定的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)坯體的承受載荷時(shí)，坯體就會(huì)開(kāi)裂。坯體經(jīng)過(guò)擠壓成型后，坯體內(nèi)含有百分之幾十的氣孔，而且顆粒之間只有點(diǎn)接觸，另外坯體尺寸大，故坯體中物理水總含量比較高，在干燥時(shí)易產(chǎn)生大的干燥收縮，導(dǎo)致坯體開(kāi)裂。

圖4 纖維在基體中橋聯(lián)Fig.4 Fiber bridge in the original matrix

纖維的加入會(huì)使坯體強(qiáng)度增加，這是由于纖維加入后分布在坯體顆粒之間的氣孔中，排出了部分空氣，使坯體相對(duì)的密實(shí)；另外，纖維若分布于坯體的裂紋處，可以通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)或者纖維斷裂來(lái)緩解內(nèi)應(yīng)力，從而提高了坯體的承受載荷，增強(qiáng)坯體的強(qiáng)度。

2.5 SEM表征效果

從圖4觀察可知，由于較大纖維的存在，裂紋在通過(guò)纖維是發(fā)生了裂紋的偏轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)了裂紋長(zhǎng)度，抵消了部分的內(nèi)應(yīng)力。下面的纖維位于裂紋上，是典型的橋聯(lián)增韌，橋聯(lián)增韌是指在基體出現(xiàn)裂紋后，纖維像“橋梁”一樣牽拉兩裂紋面抵抗外力，阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而提高材料韌性和強(qiáng)度[3]。

從圖5可知，大量的纖維由于分散不均勻，在材料集體中發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象。此時(shí)纖維不能很好的分散在基體的裂紋處，起不到增韌的效果，這種現(xiàn)象對(duì)于材料韌性的增加是有害的。

圖5 纖維的團(tuán)聚Fig.5 Fiber reunion

3 結(jié)論

（1）大尺寸的多孔陶瓷坯體在干燥過(guò)程中因內(nèi)應(yīng)力易產(chǎn)生開(kāi)裂，適量氧化鋁纖維的加入能很好的解決坯體開(kāi)裂的問(wèn)題；

（2）多孔陶瓷的彎曲強(qiáng)度隨氧化鋁纖維含量的增加先增大后減小，當(dāng)燒結(jié)溫度為900℃，纖維含量為4%（wt）時(shí)，材料的彎曲強(qiáng)度最高達(dá)到4.19Mpa，比基體材料提高了35%。

1任強(qiáng),武秀蘭.短纖維增強(qiáng)硅酸鹽陶瓷材料的研究.陶瓷科學(xué)與藝術(shù),2004,(03):4～6

2張其土.材料科學(xué)基礎(chǔ).南京:華東理工大學(xué)出版社,2007

3賈成廣,李文霞.陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)論.北京:冶金工業(yè)出版社, 1998

4鄒東利,路學(xué)成.陶瓷材料增韌技術(shù)及其韌化機(jī)理.陶瓷,2007(6):8