以颗粒稳定湿泡沫制备Al2O3-TiO2/ZrO2-SiO2基 多孔陶瓷外文翻译资料

 2022-08-03 19:47:48

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材料科学与工程学院

本科毕业设计（论文）外文资料翻译

原文名称 Al2O3-TiO2/ZrO2-SiO2 based porous ceramics from

particle-stabilized wet foam

原文作者 Bijay BASNET, Naboneeta SARKAR, Jung Gyu PARK,

e t al.

原文出版物 Journal of Advanced Ceramics, 6(2), 2017

翻译内容页码 129-138

中文名称 以颗粒稳定湿泡沫制备Al2O3-TiO2/ZrO2-SiO2基

多孔陶瓷

2021年 3 月

摘要：本文探讨了以直接发泡法形成颗粒稳定湿泡沫来制备Al2O3-TiO2 / ZrO2-SiO2多孔陶瓷。初始Al2O3 - TiO2悬浮液的制备，是将TiO2悬浮液加入等摩尔量的部分疏水化的胶体Al2O3悬浮液中，以便在烧成中形成Al2TiO5。采用等摩尔比制备ZrO2-SiO2二次悬浮液，将二次悬浮液以0、10、20、30、50 vol%的比例与初始悬浮液混合，从而在烧成样品中获得ZrSiO4、ZrTiO4和莫来石相。湿式泡沫的空气含量可达87%，拉氏压力为1.38 ~ 2.23 mPa，界面吸附自由能较高，约为5.8times;108 ~ 7.5times;108 J，从而使得泡沫稳定性高达87%。最终的悬浮液进行了发泡，湿泡沫在1400 ~ 1600℃条件下烧成1小时，得到孔径平均为150 ~ 400 mu;m的多孔陶瓷。采用X射线衍射（XRD）、差热分析（DTA）和热重分析（TGA）对样品进行物相鉴别，采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对样品进行显微结构分析。

关键词：Al2TiO5；直接发泡法；拉普拉压力；吸附自由能；多孔陶瓷

引言

钛酸铝（Al2TiO5）因为优良的抗热震性被人们所知,其源于独特的低热膨胀（1.5times;10-6 K-1），低杨氏模量和耐高温（熔点1860plusmn;10℃）[1]特性，这使其能够作为备选材料，用于那些要求材料须具有优异的抗热冲击和绝热性能的应用中，由此也可以应用于高温环境 [2,3]。多晶Al2TiO5中频繁出现的晶界裂纹有助于假板钛矿结构的低热膨胀行为 [4,5]；然而，由于这些在晶界[6]处的微裂纹的存在，Al2TiO5的机械强度发生了显著的劣化。虽然这种陶瓷是一种很好的抗热震材料，但其在750-1280℃温度范围内的整体稳定性有很大的缺点。在冷却过程中，在该温度范围内，Al2TiO5分解成Al2O3和TiO2[7,8]，这种分解使其不再表现出较低的热膨胀系数和热冲击行为，因而导致其无法应用于工业生产中。而加入MgO、Fe2O3和TiO2等热力学稳定剂有可能提高Al2TiO5的耐热性，这些稳定剂与Fe2TiO5[9]、MgTi2O5[10]、Ti3O5（阳极氧化沸石）[11]和MgAl2O4（尖晶石）[12]等假板钛矿矿物具有类似晶型。此外，添加SiO2[13]、ZrO2[14]、ZrTiO4[15]、莫来石[16]和ZrSiO4（锆石）[17]等添加剂可以通过限制晶粒生长来机械稳定Al2TiO5，这些添加剂既限制了微裂纹扩展，也限制了晶粒的异常生长[18]。

在Al2O3/TiO2反应烧成过程中，由于SiO2/ZrO2成分的加入，ZrSiO4分解形成过渡相ZrTiO4。温度须高于1450℃，以使化合物分解，生成Al2TiO5、ZrTiO4、莫来石和ZrO2 [19];这些复合材料可以在1450℃下得到。因为伴随着莫来石[20]的消失，它会产生相当数量的玻璃相，所以不应将温度提高到1500℃。在1350 ~ 1500℃的低温烧成条件下，含有63.2 wt% SiO2和34.0 wt% Al2O3的无机微球可与Al2O3、ZrO2和TiO2反应形成Al2TiO5、ZrTiO4和莫来石基多孔陶瓷。如果无机微球的熔点较低，则微球较易于在1100 ~ 1300℃的温度下熔化，使气孔在Al2TiO5形成之前接触 [3,21]。

此外，由于ZrSiO4具有良好的热物理性能：低热膨胀（4.10times;10-6 K-1）、低热导、高分解温度（1675℃）和良好的耐腐蚀性能，因而一直被用作耐火材料。然而，纯ZrSiO4在前述的1285℃至1700℃之间的分解温度下进行热处理过程中，倾向于通过固态反应发生分解[22,23]；因此，这些热物理性能对于预测ZrSiO4、氧化锆基耐火材料，以及与含硅熔体接触的ZrSiO4部件的热耐久性非常重要[24]。

本工作以Al2O3-TiO2 / ZrO2-SiO2复合材料为基础，通过调整Al2TiO5、ZrTiO4、莫来石和ZrSiO4的配方，采用直接发泡法制备了一种微结构性能良好、孔隙细小均匀的轻质多孔材料。这种制备多孔陶瓷的方法由于操作简便、重复性好和成本低，所以具有良好的通用性[25,26]。以Al2O3和TiO2为原料，采用直接发泡法制备多孔Al2TiO5，ZrO2/SiO2以1:1摩尔比制备ZrSiO4相。在此过程中，通过将空气掺入胶体悬浮液中制备出具有很高体积稳定性的湿泡沫。对湿泡沫进行了表征测试，并对平均气泡尺寸、空气含量、吸附自由能、拉普拉斯压力和湿泡沫稳定性进行了研究。稍后，湿泡沫经干燥和烧成来制备具有高孔隙率的开孔或闭孔多孔陶瓷。采用了X射线衍射（XRD）、能量色散X射线光谱（EDX）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、差热分析（DTA）和热重分析（TGA）进行物相鉴定和微观结构研究。

实验部分

2.1 材料

为制备Al2O3-TiO2 / ZrO2-SiO2悬浮液，需准备原材料如下: 平均粒径（d50）4mu;m、密度3.95g/cm3的-Al2O3粉（KC, R.O. Korea），平均粒径（d50）2mu;m、密度4.23g/cm3的TiO2粉（Junsei Chemicals Co. Ltd., Japan），平均粒径（d50）3.5mu;m、密度2.65g/cm3的ZrO2粉（Junsei Chemicals Co. Ltd., Japan)，平均粒径（d50）3.5mu;m的SiO2粉（Junsei Chemicals Co. Ltd., Japan）。用于表面改性的短链羧酸是没食子酸丙酯（Fluka Analytical, Germany），pH值调整采用10（N）HCl（Yakuri Pure Chemicals, Osaka, Japan）和4（M）NaOH溶液（Yakuri Pure Chemicals, Kyoto, Japan），以及双去离子水（DI）用于悬浮液制备以及体积调节。

2.2 悬浮液制备

2.2.1 Al2O3–TiO2悬浮液的制备

将alpha;-Al2O3粉和TiO2粉分别加入到去离子水中，制备出水悬液。将胶体悬浮液保存在聚乙烯瓶中，将氧化锆球加入球粉比2:1的球磨中均匀混合48小时，转速为60转/分。为了使悬浮液具有疏水性，在机械搅拌下，在球磨后的Al2O3悬浮液中滴加0.2 wt%没食子酸丙酯。以500转/分钟的搅拌速度混合悬液。通过滴加(4)M NaOH与 (10)N HCl，最终悬浮液pH为4.75。最终悬浮液的固体含量通过加入所需的水量设定为30vol%。然后，等摩尔浓度的TiO2悬浮液和Al2O3悬浮液混合均匀;该过程如图Fig.1所示。

2.2.2 ZrO2–SiO2悬浮液制备

对于ZrO2 - SiO2悬浮液，在相同的条件下，将SiO2悬浮液与ZrO2粉的水悬浮液以1:1的ZrO2/SiO2摩尔比均匀混合。将该悬浮液的10,20,30,50 vol%加入到等摩尔浓度Al2O3/TiO2的初始悬浮液中，形成烧结后的Al2TiO5相。最终悬浮液中Al2O3-TiO2占Al2TiO5的体积百分比，ZrSiO4中添加的ZrO2-SiO2占ZrSiO4的体积百分比见表1。

2.3 接触角和表面张力

最终胶体悬浮液的表面张力和接触角的分析是通过悬滴法(KSV-Instruments Ltd., Helsinki, Finland)进行的。滴量设为5-10L，用两亲体悬浮。

2.4 发泡及泡沫表征

最终悬浮液在室温下发泡，使用最高功率的普通手动搅拌器(150 W, Super Mix, France)15分钟;在这时，机械泡沫促进空气进入整个悬浮体。通过计算发泡后悬浮液的体积增加百分比来分析空气含量，如下图所示:

其中Vwet foam为发泡后湿泡沫体积，Vsuspension为发泡前悬浮液体积。

通过光学显微镜(Somtech Vision, R. O. Korea)和线性截距软件(TU D

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