泡沫陶瓷的不同合成工艺外文翻译资料

 2022-09-22 10:25:57

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泡沫陶瓷的不同合成工艺

摘要

泡沫陶瓷是由坯体的三维网状结构所构成。这些高度多孔材料有很多作为熔融金属过滤器,热气和柴油机排气管过滤器,催化剂载体,生物材料、热绝缘体熔炉和航空航天应用,天然气燃烧燃烧器和轻质建筑材料等作用。

这些材料的应用领域不同,带来的多孔陶瓷的属性特定用途也不同。因此,不同路线的生产这些多孔陶瓷已经被开发出来,每个国家都有属于自己的技术路线。

在这个文献中，我们介绍三个生产工艺:(1)改性聚氨酯聚合反应技术；（2）溶胶凝胶技术；（3）玻璃粉发泡技术;在工厂的生产线上这些成孔工艺为最重要的技术。

这些生产方法的优点和缺点的，主要通过场发射扫描电镜(FESEM)、计算机辅助显微层析(CT)、图像分析(IA)和机械测试等方法进行检测。

最后，一些铝粉循环利用生产泡沫陶瓷的项目被提出，作为发泡剂，以及陶瓷骨料的骨架。

关键词:陶瓷泡沫;合成;特性;应用；

  1. 前言

生产泡沫陶瓷有许多不同的方法1，这里讨论的三种方法是关于如何将陶瓷粉料浆转变为泡沫固体陶瓷，这最传统的生产泡沫陶瓷的方式是网状海绵技术或者复制技术。这里聚合物网状结构的陶瓷泥浆的干燥，煅烧和烧结过程2,3，另一种生产泡沫陶瓷的方法是注浆产生，是在陶瓷注浆过程中添加发泡剂的方法。第三种方法，有机气孔法由含有不同的天然或者有机纤维组成的陶瓷料浆，装入一个模具之后通过第二种不同的料浆气孔连接在一起。作为生产泡沫陶瓷以及其应用的生产工艺，生产参数及真实气孔率和内部结构对于不同的生产商，不同的最终使用者是不同的。不同的分析技术被用于描述这个合成工艺：激光衍射测量、测量zeta;电势、粘度及热天平。利用场发射扫描电子显微镜分析了泡沫的微观结构(FESEM)，图像分析与计算机辅助X射线显微层析成像。通常机械强度，弯曲和压缩强度需要被测试。

  1. 实验方法

作为粉末模具，我们是用三氧化二铝粉末（CT 3000 SG美国铝业公司）。作为反应烧结的材料，混合的铝与氧化铝的质量比例以40／60进行配比。铝粉颗粒尺寸为8微米。聚甲基丙烯酸氨作为分散剂，琼胶作为凝胶， 丙烯酰胺作为发泡剂，采用凝胶注模成型泡沫陶瓷。

几种核心有机成孔剂（聚苯乙烯泡沫塑料颗粒）被应用。

用于改进的聚氨酯复制技术，聚氨酯模板（瑞克赛尔，韦特伦，比利时所提供）在被包覆的粉体和挤压出多余的浆液后，该结构被干燥。 聚氨酯纤维被煅烧完和铝组分被氧化。最后，烧结后的材料，被加工到合适的尺寸进行使用。

对凝胶注模成型方法，第一步在粉料泥浆中加入发泡剂及凝胶剂，第二步是机械发泡，机械发泡是在模具中制作和稠化。之后坯体结构进行热处理：干燥、煅烧和烧结.

空心微珠法是含有有机化学剂的浆料开始干燥，煅烧。然后有机成孔剂的核心被挤在一起，在一个模具中，并加入了一个二次浆料进行注浆，最后这个组件进行干燥，煅烧和烧结。

  1. 结果与讨论

这三种方法所制备的样品的显微图像如图1-3。泡沫结合陶瓷的3点弯曲强度能达到8兆帕，一般都只能达到百分之二十五的理论陶瓷强度。这带有闭合气孔的多孔陶瓷的最大优势是可以实现足够的强度（三点弯曲强度能达到3兆帕）。此外，普复制技术允许改变聚氨酯的模板来改变气孔孔径的大小。图4为摘要不同的结构措施与复制技术产生不同的泡沫产生的图像6。当校正后的两维方面的技术之后这个晶胞和图像的结果分析在合理的范围内是一致的。电子计算机X射线断层扫描技术表明大多数样品的价值很低。可能他能通过阈值程序的不同来进行解释。

与聚氨酯复制技术生产的泡沫相比，凝胶浇注技术所产生的泡沫具有质密的内部结构但是其内部的气泡的生成被各种各样的条件所限制。较大的气孔的孔径能达到50到800微米。图5中所展示为凝胶注浆所产生的气泡在电子计算机X射线断层扫描技术所分析的气孔的大小及断层厚度的大小。

空心珠法7,8 可以通过不同的模具生产出不同的形状。重要的是在陶瓷里面这个有机物是湿的。这填充的造孔剂的强度可以改变料浆的稠度。它可以很容易改善二次注浆时料浆的稠度。

不同的泡沫陶瓷在几个不同的项目中应用。其中有一个为回收铝的项目。在该项目中用不同的分离技术分离及测试出金属化合物中的熔融铝。用聚氨酯模板法制备的莫来石泡沫，需要相对大孔隙的泡沫。

另一个泡沫陶瓷项目旨在从柴油发动机中收集烟尘颗粒。为了获得足够的效率，需要调整空气压、气孔的密度及大小。图6显示在柴油机入口和出口侧的气孔表面。

在第三个项目中，不同的泡沫陶瓷技术所产生的陶瓷被用于人体骨架中。我们尝试生产出可以在医学中可以使用的泡沫陶瓷。不同的磷酸钙羟基磷灰石和beta;-TCP，和不同的金属钛、钛合金、不锈钢和镍进行复合产生陶瓷。其中一个项目是模拟骨小梁的强度及弹性模量。骨小梁的系数在0.2到2GPa,抗压强度在15和50 MPa.这些值可以很容易的保证与金属结合的泡沫陶瓷的应变值。

  1. 结论

结果表明，泡沫陶瓷可以用不同的方法生产：改性聚氨酯复制技术、与聚合物空心微珠和凝胶注模成形的方法。用这些方式，我们可以的得到这些生产的方式和参数正确结合。

通过不同的技术分析结构和力学性能，它被证明这些泡沫陶瓷可以用于不同的项目：作为过滤器的熔融铝，作为柴油发动机的烟灰过滤器和作为骨支架替代品

粘结剂对轻质多孔氧化铝陶瓷结构和力学性能的影响

摘要

本文研究了硫酸铝、磷酸、复合粘结剂等粘结剂对轻、泡沫氧化铝陶瓷性能的影响。复合粘结剂由硫酸铵和磷酸组成。硫酸铵溶液可以有效地改善泡沫氧化铝陶瓷的抗压强度，但由于氧化铝粉体在硫酸铵的原位分解过程中所产生的纳米氧化铝粉体的少，不能改善氧化铝泡沫的氧化铝陶瓷粉体的抗压强度。热冲击试验中的反式球撞击。磷酸和氧化铝组分在烧结过程中的烧结性能，但降低了氧化铝气泡的烧结性能，提高了磷酸溶液的氧化铝泡沫陶瓷的抗压强度。该复合粘结剂结合了硫酸铵和磷酸的优点，提高了氧化铝泡沫和轻量氧化铝陶瓷的抗压强度，有效地降低了粘结剂的用量，降低了产品成本。在1700°C烧结温度、复合氧化铝和硫酸铵磷酸作结合剂，轻质泡沫氧化铝陶瓷的密度为1.20和1.60克/立方厘米之间，和抗压强度为18 –42MPa

关键词：氧化铝粉末；粘结剂；陶瓷。

泡沫氧化铝陶瓷是一种具有重量轻、强度高、耐高温性能的高温保温材料，具有高强度和耐高温性能[1–4].。泡沫氧化铝陶瓷与致密耐火材料相比，具有重量轻、密度低、热冲击负荷高、保温隔热和低导热性能等特点的材料[4–6]。而与其他常见的隔热耐火材料[7,8]相比，泡沫氧化铝陶瓷具有较高的抗压强度，较高的软化温度和载荷下永久的线性收缩率低。它不仅可以隔热层，而且还可以在火灾中暴露出来，是一种理想的高温炉内衬材料。今天的泡沫氧化铝陶瓷已经得到了越来越多的关注，成为最有前途的高温保温材料。

在中国有很多工厂生产泡沫氧化铝陶瓷。大部分氧化铝产品具有高熔点、强离子键、低扩散系数和在生产过程中的低烧结温度和不合理的低强度等特性，具有稳定性差、强度低的性质。科学家们花了很多时间在氧化铝陶瓷和氧化铝粉末的修改，以降低烧结温度，提高强度和质量的统一[9 -12 ]。不同研究者的结果有很大差异。本文在现有研究的基础上，研究了磷酸复合泡沫氧化铝陶瓷和氧化铝泡沫改性后的氧化铝泡沫力学性能、填充性能、结构形貌及烧结理论。以硫酸铵和磷酸为原料合成了高强度泡沫氧化铝陶瓷。

1. 实验

1.1 材料

氧化铝粉末和a-Al2O3微粉制备轻质氧化铝泡沫陶瓷，化学成分如表1所示。氧化铝粉末的颗粒粒径直径大小变化范围为0.2mm至4mm。

a-Al2O3的粒径为6.99微米。制备了三种不同比例配比的粘合剂包括稀磷酸与质量浓度为50%、25%和12.5%，质量浓度为13.04%和8.89%硫酸铝铵溶液，复合粘结剂的组成显示如表2。

1.2 样品制备

根据Furnas理论，氧化铝粉末筛选至四个等级。alpha;-Al2O3粉末和氧化铝粉末充分混合，化学组成如表3所示。在加入粘结剂的陶瓷体是由压力振动成型工艺成型，然后60℃环境下干燥和脱模。在热处理之后再在1700℃煅烧6 h制备了轻质泡沫氧化铝陶瓷。陶瓷体的大小为40mm*40mm*50*，密度分别为1.2g / cm3，1.4g / cm3和1.6 g / cm3。粘合剂粉末所占的质量百分比为30%，35%。

在粒径大小在3–4毫米范围内的氧化铝陶瓷浸入粘合剂溶液2小时，然后在80℃的温度下干燥12小时，在900℃的温度下进行热处理，在1500、1700℃的温度下烧结2小时，制备出多孔氧化铝泡沫陶瓷。

1.3测试项目

陶瓷样品的抗压强度是由WE－B液压万能试验机进行测定，使用日立S75扫描电子显微镜分析了样品的微观结构（SEM），用如图1所示的自制的设备，对氧化铝粉末的压缩电阻进行测试。

2 结果与讨论

采用磷酸溶液和硫酸铵溶液对轻泡沫氧化铝陶瓷的抗压强度如表4所示。氧化铝陶瓷结合硫酸铵溶液的抗压强度低于与磷酸溶液的结合强度。与A1相结合氧化铝陶瓷的抗压强度为10.56 MPa，并与E1相结合的氧化铝陶瓷能抗压强度达到22.80 MPa。

硫酸铝铵在900℃的温度下分解成纳米氧化铝粉体。这些活性氧化铝粉能促进陶瓷的烧结。但是，这些硫酸铝铵所产生的活性氧化铝粉体的数量很少，结果使陶瓷的强度较低。磷酸在烧结过程中可生产出磷酸铝，从而使氧化铝陶瓷的强度变高。原因是磷酸铝是一种高温粘结剂，可以形成对氧化铝泡沫和微粉表面过渡层，成为铝离子的离子源。表面上的磷酸铝的扩散通道的铝离子与氧化铝粉末的接触变高从而加速烧结并使强度增高[ 13 ]。

图2显示了氧化铝陶瓷结合硫酸铝铵热冲击试验后的断口形貌（在1100℃的空气条件下，循环17次）。硫酸铝铵溶液的浓度为8.89%（A2）的氧化铝陶瓷的断口形貌为图2（a）和硫酸铝铵溶液的浓度为13.04%（A1）的氧化铝陶瓷的断口形貌为图2（b）。球撞击热冲击试验中的实验结果如图2所示。以氧化铝粉末和制备的氧化铝泡沫陶瓷低于以硫酸铝为粘结剂的氧化铝泡沫陶瓷的抗压强度。

图3显示了热冲击试验后氧化铝陶瓷的断口形貌（循环11 - 14次），磷酸溶液的浓度为12.5%（E3）的端口形貌图3（a）、磷酸溶液的浓度为25%（E2）的端口形貌为图3（b）和磷酸溶液的浓度为50%（E1）的断口形貌为图3（c）。在球冲击下，氧化铝泡沫陶瓷破碎。氧化铝粉末的氧化铝泡沫陶瓷的抗压强度比磷酸作为粘结剂的氧化铝泡沫陶瓷的抗压强度要高。

通过研究了粘结剂对氧化铝泡沫抗压强度的影响。结果如表5所示。随着烧结温度的提高，硫酸铝改性氧化铝泡沫陶瓷的抗压强度提高。在900℃的硫酸铝铵的强度下降到50%，热处理后未改性的氧化铝泡沫陶瓷。当温度上升到1500℃，抗压强度提高2倍，未改性的氧化铝泡沫陶瓷，在1700℃提高到2.5倍。随着温度升高，磷酸改性氧化铝泡沫的抗压性降低。热处理后在1500℃和1700℃时，改性氧化改性氧化铝泡沫的强度下降到只有一半的未经修改的氧化铝泡沫，从而在球撞击下断裂。

如表4和5所示，通过硫酸铵改性氧化铝泡沫的抗压强度得到改善，但与硫酸铵铝相结合的泡沫氧化铝陶瓷其中所含的硫酸盐降低了。这意味着提高了硫酸铵的烧结性能是很弱的。磷酸的在烧结中的作用是相对的。硫酸铝铵溶液制备是由复合粘结剂（A1）和磷酸溶液（E1）一起制备的。复合粘结剂改性氧化铝泡沫的强度随温度的升高而降低在低温范围内，但在高温范围内随着温度升高而升高。在1700℃时，未改性的氧化铝泡沫陶瓷的强度能提高2.5倍。

含有不同的比例复合粘结剂的氧化铝泡沫陶瓷，在1700℃的温度下处理6小时之后，陶瓷的抗压强度如表6所示。与表4相比，可以明显看出复合粘结剂可以有效地改善泡沫氧化铝陶瓷的抗压强度。而改善的程度与磷酸铵铝与磷酸的配比有关，从A1：E1的配比中观察可以判断最佳比例为3:1（F3）。以磷酸铵铝与磷酸的配比为3:1（F3）的泡沫氧化铝陶瓷的抗压强度为18.58–42.23 MPa，体积密度为1.2–1.6 g/cm3。复合粘合剂以不同配比对于多孔泡沫氧化铝陶瓷强度的影响在图4中所表示出来，体积密度在1.4g/cm3时为最佳。当A1不变时，氧化铝多孔陶瓷的抗压强度随着E1的比例增长而增加，当A1：E1等于3:1是氧化铝陶瓷的抗压强度最佳，抗压强度最佳为30.56 MPa。当E1不变时，氧化铝多孔陶瓷的抗压强度随着A1的比例的增长而增长，当A1：E1等于1:1是氧化铝多孔陶瓷的抗压强度最好，强度为18.95 MPa。多孔陶瓷的强度的影响随E1的改变的改变的更多。通过结合硫酸铵铝和磷酸铵铝的优点，我们可以得出这两种粘结剂的都可以提升轻质氧化铝多孔陶瓷和氧化铝粉末的抗压的强度。

  1. 结论

通过实验分析可以得出硫酸铵铝可以有效的的改善轻质氧化铝泡沫陶瓷的抗压强度，但是硫酸铵铝在氧化铝粉末中原位分解过程中所产生的纳米氧化铝的含量较少，不能有效的降低氧化铝泡沫陶瓷的质量，不能有效的改善氧化铝陶瓷的性能。在进行球热冲击撞击实验中，磷酸溶液可以有效的改善氧化铝泡沫陶瓷的抗压的强度，这是以为在烧结过程中可以通过磷酸与氧化铝的组分生成磷酸铝可以有效的改善烧结后的性能，但是在氧化铝泡沫陶瓷烧成过程中氧化铝的含量降低。在进行球热冲击撞击实验中结合磷酸铵铝与硫酸铵铝的烧成中的优点，可以有效改进了轻质泡沫氧化铝陶瓷与氧化铝粉末的抗压强度。在低浓度下，复合粘结剂就可以达

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