李晶楊 余俊 趙惠忠 張寒

武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢430081

多孔莫來(lái)石材料具有密度小、比表面積大、熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、抗熱震性良好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在高溫隔熱、過(guò)濾、催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用［1-3］。多孔莫來(lái)石材料的制備方法主要有泡沫法、氣體發(fā)生法、可燃物燒失法、模板法等［3-9］。其中，可燃物燒失法能夠較方便地控制制品的微觀孔結(jié)構(gòu)（氣孔數(shù)量、形狀、大小等），常用來(lái)制備孔隙率高、形狀復(fù)雜的多孔材料［10-14］。但是，造孔劑燃燒后留下的孔極易坍塌，影響材料的氣孔率、熱導(dǎo)率等性能［14］。

在本工作中，分別以Al2O3、SiO2、ZrO2溶膠浸漬的核桃殼微粉為造孔劑制備多孔莫來(lái)石材料，擬使造孔劑表面的溶膠與原料發(fā)生原位反應(yīng)，以期優(yōu)化多孔材料的微觀孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)原料有d50＝0.2μm的SiO2微粉、d50＝2.3 μm的α-Al2O3微粉、平均粒徑為65μm的核桃殼粉、固含量3%（w）的SiO2溶膠、固含量7%（w）的Al2O3溶膠、固含量5%（w）的ZrO2溶膠、PVA（結(jié)合劑），主要原料的化學(xué)組成見表1。

表1 主要原料的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of main starting materials

將核桃殼粉分別與2倍質(zhì)量的SiO2溶膠、Al2O3溶膠和ZrO2溶膠混合均勻，然后在110℃烘干，制成溶膠浸漬核桃殼粉，并分別標(biāo)記為KS、KA和KZ。未浸漬的核桃殼粉記為KW。

1.2 試樣制備

將SiO2微粉和α-Al2O3微粉按n（Al2O3）∶n（SiO2）＝3∶2的比例配料并制成預(yù)混合粉，再按m（預(yù)混合粉）∶m（造孔劑）＝5∶1的比例配入造孔劑，然后外加2%（w）的PVA，在球磨機(jī)中混合均勻。以5 MPa壓力壓制成φ36 mm×25 mm和φ180 mm×15 mm的樣坯，自然干燥后，在硅鉬棒電爐中于1 500℃保溫3 h熱處理。與所用造孔劑KW、KS、KA和KZ相對(duì)應(yīng)，制備的多孔莫來(lái)石試樣分別標(biāo)記為SW、SS、SA和SZ。

1.3 性能檢測(cè)

按GB／T 2998—2001檢測(cè)試樣的體積密度，按GB／T 1966—1996檢測(cè)試樣的顯氣孔率，按GB／T 5072—2008檢測(cè)試樣的常溫耐壓強(qiáng)度。用游標(biāo)卡尺測(cè)量φ36 mm×25 mm的干燥后樣坯燒成前和燒成后相交120°的三個(gè)位置的直徑，并各自取平均值，然后計(jì)算其燒后線變化率：（燒后平均直徑-燒前平均直徑）÷燒前平均直徑×100%。用PBD-02P型平板導(dǎo)熱儀測(cè)量試樣的熱導(dǎo)率。用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡分析試樣的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的性能

燒后試樣的體積密度和顯氣孔率見圖1?？梢钥闯觯?）試樣SW的體積密度顯著大于試樣SS、SA、SZ的；而試樣SS、SA、SZ之間差別不大，試樣SS的略大。2）試樣SW的顯氣孔率顯著小于試樣SS、SA、SZ的；而試樣SS、SA、SZ之間差別不大，試樣SS的略小。分析認(rèn)為：經(jīng)溶膠浸漬后，溶膠填充了核桃殼粉的孔隙，并在其表面形成殼層，提高了粉粒的強(qiáng)度，既降低了它在成型過(guò)程中的可壓縮性，又在一定程度上抵擋了粉粒有機(jī)質(zhì)燒失過(guò)程中其周圍物料的跟進(jìn)填充。因此，以溶膠浸漬核桃殼粉為造孔劑制備的三種試樣的顯氣孔率顯著提高。

圖1 燒后試樣的體積密度和顯氣孔率Fig.1 Bulk density and apparent porosity of fired specimens

試樣經(jīng)1 500℃保溫3 h熱處理后都發(fā)生收縮，因此以線收縮率表征其燒后線變化。試樣的燒后線收縮率和燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度見圖2。從圖2可以看出：試樣SW的燒后線收縮率顯著大于試樣SS、SA、SZ的，而試樣SS、SA、SZ之間差別不大。試樣SW的常溫耐壓強(qiáng)度顯著大于試樣SS、SA、SZ的，而試樣SS、SA、SZ之間差別不大。這是因?yàn)?，在物相組成大致相同時(shí)，試樣的常溫強(qiáng)度與其致密度呈正相關(guān)系。

圖2 試樣的燒后線收縮率和常溫耐壓強(qiáng)度Fig.2 Linear shrinkage and compressive strength of fired specimens

采用熱力學(xué)軟件Factsage 6.4計(jì)算了各試樣在1 500℃的液相量，見圖3。由圖3可見，以SiO2溶膠浸漬核桃殼粉為造孔劑制備的試樣SS在1 500℃的液相量最大。由于液相的促燒結(jié)作用，燒成后試樣SS的線收縮率、致密度和常溫強(qiáng)度均略大于試樣SA和SZ的。

圖3 燒后試樣在1 500℃下的液相量Fig.3 Liquid content of specimens fired at 1 500℃

燒后試樣的熱導(dǎo)率見圖4?？梢钥闯觯涸嚇覵W的熱導(dǎo)率顯著大于試樣SS、SA、SZ的，而試樣SS、SA、SZ之間差別不大。因?yàn)樵谖锵嘟M成大致相同時(shí)，材料的熱導(dǎo)率主要取決于其致密度。

圖4 燒后試樣的熱導(dǎo)率Fig.4 Thermal conductivity of fired specimens

2.2 試樣的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)

燒后試樣的XRD圖譜見圖5?？梢钥闯觯焊髟嚇拥闹骶嗑鶠槟獊?lái)石，同時(shí)存在一定量的剛玉和方石英；以ZrO2溶膠浸漬核桃殼粉為造孔劑制備的試樣SZ中還出現(xiàn)了鋯英石的衍射峰。

圖5 燒后試樣的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of fired specimens

試樣的SEM照片見圖6。由圖6可以看出：試樣SW的氣孔較小且形狀不規(guī)則；試樣SS、SA、SZ的氣孔比試樣SW的大，且形狀更接近圓形；試樣SS和SA的氣孔壁上出現(xiàn)了莫來(lái)石晶粒，試樣SZ的氣孔壁上則出現(xiàn)了鋯英石晶粒。

圖6 燒后試樣的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of fired specimens

3 結(jié)論

（1）與以未浸漬核桃殼粉為造孔劑制備的多孔莫來(lái)石材料相比，以SiO2溶膠、ZrO2溶膠或Al2O3溶膠浸漬核桃殼粉為造孔劑制備的多孔莫來(lái)石材料的燒后線收縮率顯著減小，顯氣孔率顯著增大，熱導(dǎo)率顯著減小；常溫耐壓強(qiáng)度雖然顯著減小，但均超過(guò)30 MPa。

（2）比較發(fā)現(xiàn)，以SiO2溶膠浸漬的核桃殼粉為造孔劑制備的多孔莫來(lái)石材料的綜合性能較佳，其顯氣孔率約為39%，常溫耐壓強(qiáng)度為55 MPa。