多孔氮化硅陶瓷的制备及其性能的研究

发布时间：2017-09-08 04:28

  本文关键词：多孔氮化硅陶瓷的制备及其性能的研究

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【摘要】：随着工业的发展和城市化进程的加快,我国正面临着严峻的大气污染和水污染问题,如何有效的利用环境治理技术是当今社会环境和经济能否协调发展的重要课题。传统的催化剂载体存在着强度低、耐酸碱性差、高温膨胀系数大等缺点,应用在尾气处理和污水处理方面有着先天的不足。而具备抗腐蚀、耐热冲击性和高强度等优点的多孔氮化硅陶瓷在新型催化剂载体应用中有着广泛的前景,所以如何制备高强度和高气孔率的多孔氮化硅陶瓷成为本课题的研究重点。本课题以α-Si_3N_4为主要原料,以淀粉、稻壳、木屑为造孔剂,以MgO、Y_2O_3、Al_2O_3、ZrO_2为烧结助剂,制备了多孔氮化硅陶瓷。研究了造孔剂的掺量及种类、烧结助剂的掺量及种类、不同烧结制度对多孔氮化硅陶瓷抗折强度、显气孔率、物相组成和微观结构等性能的影响。淀粉、稻壳、木屑分别以0%、10%、20%、30%和40%掺量制备多孔氮化硅陶瓷,研究了造孔剂的种类和掺量对多孔氮化硅陶瓷性能的影响。实验结果表明,随着造孔剂掺量的增加,氮化硅陶瓷的抗折强度呈减少的趋势、显气孔率和吸水率先增大后减小、体积密度先减小后增大;三种造孔剂中,淀粉的造孔效果最好,在添加量为30%,加入8%烧结助剂(Y_2O_3:A1_2O_3=6:2)时,可制备出抗折强度为53.2 MPa,显气孔率为43.6%的多孔氮化硅陶瓷制品。以MgO、Y_2O_3、Al_2O_3、ZrO_2为烧结助剂,淀粉为造孔剂,分析了MgO、Y_2O_3、Y_2O_3-Al_2O_3、MgO-Al_2O_3的烧结机理,研究了烧结助剂的种类和掺量对多孔氮化硅陶瓷抗折强度、显气孔率、物相组成和微观结构等性能的影响。实验结果表明,随着烧结助剂掺量的增加,多孔陶瓷的抗折强度先增大后减小,显气孔率先减小后增大;加入复合烧结助剂制备的多孔氮化硅陶瓷的性能要比加入单一烧结助剂要好,加入ZrO_2有利于增加多孔氮化硅陶瓷的抗折强度;以6%Y_2O_3、3%Al_2O_3、3%ZrO_2为烧结助剂,淀粉为造孔剂,可制备出抗折强度为68.7 MPa,显气孔率为43.7%的多孔陶瓷制品。利用SPS烧结技术制备了多孔氮化硅陶瓷,探讨了烧结温度和保温时间对多孔陶瓷制品性能的影响,对比了常压烧结和SPS烧结工艺所得多孔陶瓷制品的各项性能。实验结果表明,SPS烧结工艺可降低氮化硅陶瓷的烧结温度,减少烧结时间,相较于常压烧结陶瓷制品的致密度较高;综合分析了制备出的陶瓷试样的性能,SPS工艺烧结多孔氮化硅陶瓷最佳烧结温度在1500℃左右,最佳保温时间在5 min左右;当烧结助剂添加量为8%(Y_2O_3:A1_2O_3=6:2),淀粉掺入量为30%,在1500℃下保温5 min可制备出抗折强度为59.6 MPa,显气孔率为37.3%的多孔氮化硅陶瓷制品。
【关键词】：氮化硅 多孔陶瓷 烧结助剂 造孔剂 放电等离子烧结
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-20
• 1.1 引言11-12
• 1.2 多孔陶瓷的研究现状12
• 1.3 多孔陶瓷的制备工艺12-15
• 1.4 多孔氮化硅陶瓷的研究现状15-19
• 1.4.1 氮化硅的晶体结构15-17
• 1.4.2 氮化硅陶瓷的性能17
• 1.4.3 多孔氮化硅陶瓷的国内外研究进展17-19
• 1.5 本课题主要研究内容及意义19-20
• 2 实验内容及研究路线20-31
• 2.1 实验原料及仪器20-25
• 2.2 实验步骤及工艺流程25-26
• 2.3 实验烧结方法26-28
• 2.4 测试及表征方法28-31
• 2.4.1 密度测试28
• 2.4.2 力学性能测试28-29
• 2.4.3 物相和显微结构分析29
• 2.4.4 热重-差式扫描同步热分析29-31
• 3 造孔剂对多孔氮化硅陶瓷性能的影响31-43
• 3.1 实验步骤和配方设定31-32
• 3.2 造孔剂对多孔氮化硅陶瓷性能及微观结构的影响32-41
• 3.2.1 不同造孔剂对多孔陶瓷显气孔率的影响35-36
• 3.2.2 不同造孔剂对多孔陶瓷抗折强度影响36-38
• 3.2.3 不同造孔剂对多孔陶瓷吸水率的影响38
• 3.2.4 不同造孔剂对多孔陶瓷体积密度的影响38-39
• 3.2.5 不同造孔剂对多孔陶瓷物相组成的影响39-40
• 3.2.6 不同造孔剂对多孔陶瓷显微结构的影响40-41
• 3.3 本章小结41-43
• 4 烧结助剂对多孔氮化硅陶瓷性能的影响43-54
• 4.1 实验步骤43-44
• 4.2 烧结助剂对多孔氮化硅陶瓷性能及微观结构的影响44-52
• 4.2.1 烧结助剂对多孔氮化硅陶瓷显气孔率和抗折强度的影响44-50
• 4.2.3 烧结助剂对多孔氮化硅陶瓷物相组成的影响50-51
• 4.2.4 烧结助剂对多孔氮化硅陶瓷显微结构的影响51-52
• 4.3 本章小结52-54
• 5 烧结工艺对多孔氮化硅陶瓷性能的影响54-65
• 5.1 SPS烧结机理和优点介绍54-55
• 5.2 实验工艺与步骤55-57
• 5.3 烧结温度对多孔氮化硅陶瓷性能及显微结构的影响57-59
• 5.3.1 烧结温度对多孔氮化硅陶瓷抗折强度和显气孔率的影响58
• 5.3.2 烧结温度对多孔氮化硅陶瓷物相组成的影响58-59
• 5.4 保温时间对多孔氮化硅陶瓷性能及显微结构的影响59-61
• 5.4.1 保温时间对多孔氮化硅陶瓷抗折强度和显气孔率的影响60
• 5.4.2 保温时间对多孔氮化硅陶瓷显微结构的影响60-61
• 5.5 两种烧结工艺对多孔氮化硅陶瓷物相组成和微观结构的影响61-63
• 5.6 本章小结63-65
• 6 结论及展望65-67
• 6.1 结论65-66
• 6.2 展望66-67
• 参考文献67-73
• 致谢73-74
• 在学期间发表的学术论文及其他科研成果74

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本文编号：811879