泡沫冷凝法制备氧化铝多孔陶瓷

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氧化铝原料便宜可得,并且具有较好的力学、热学性能,以氧化铝为原料制得的多孔陶瓷同时还具有多孔材料独有的性能和特点,比如比表面积大、热力学性能好等,近年来在复合材料制备、隔音、过滤、航天航空等众多领域有很广的应用价值。本文采用泡沫冷凝法,以氧化铝为原料制备了性能优异的氧化铝多孔陶瓷。主要研究内容包括:对制备的氧化铝多孔陶瓷结构和性能影响较大的工艺参数的正交实验设计;大范围发泡剂浓度和固含量的实验研究;工艺参数对材料结果与性能影响的探究。采用三因素三水平的正交实验设计,对泡沫冷凝法制备氧化铝多孔陶瓷的主要影响因素(固含量、发泡剂浓度、烧结温度)进行了实验探究,选取正交表L9(34)来安排实验。制备试样的闭气孔率在0.01~1.29%之间,开气孔率在77.43~86.92%之间,比强度在18.41~28.69×103 N.m/kg之间。对实验结果分别进行了极差分析、方差分析和矩阵分析。极差分析发现空白列极差较大,说明各因素间可能存在一定的交互作用;方差分析发现对于实验确定的指标而言,各因素都为不显著影响因素,间接证明了各因素间可能存在交互作用。矩阵分析结果与极差分析一致印证了正交实验理论分析的准确性。同时通过正交实验总权矩阵分析,得出正交试验的最优方案为A1B2C1,即固含量为25 vol.%,发泡剂浓度为6 g/L,烧结温度为1550℃。对正交实验得出的最优实验方案进行了验证实验,制得了开气孔为80.94%,比强度高达30.27×103 N·m/kg的试样,同时闭气孔率较低为0.22%。对比正交实验各组方案可知正交实验设计和统计分析是有效的,采用正交实验设计获得了较优的工艺参数。在固含量为25 vol.%,烧结温度为1550℃的条件下,通过扩大发泡剂浓度范围(0.2~24 g/L),研究了发泡剂浓度改变对氧化铝多孔陶瓷结构和性能的影响。制备的氧化铝多孔陶瓷预制体开气孔率在78.42~80.45%之间,闭气孔率只有0.23~0.71%;抗压强度在16.56~27.60 MPa之间;渗透率为4.963×10-12~1.469×10-11 m2;热膨胀系数在8.431×10-6~8.264×10-6/℃之间。通过综合分析和衡量,当发泡剂浓度为1 g/L时制备的氧化铝多孔陶瓷预制体试样的综合性能最好。通过大范围改变浆料的固含量(10~45 vol.%),制备了总气孔率为51.67~93.96%,抗压强度为0.58~68.88 MPa,渗透率为8.790×10-11~7.125×10-12 m2,热膨胀系数在8.334×10-7~8.573×10-7/℃的氧化铝多孔陶瓷。固含量对制备材料的孔隙率、抗压强度、渗透率和孔隙结构的影响很大,通过调节固含量可以制得综合性能优异的氧化铝多孔陶瓷材料。
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