固相烧结法制备高孔隙率莫来石多孔陶瓷的研究

发布时间：2017-09-30 04:15

  本文关键词：固相烧结法制备高孔隙率莫来石多孔陶瓷的研究

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【摘要】：莫来石(3Al2O3·2SiO2)是一种重要的陶瓷材料,因为其具有低的导热系数、热膨胀系数和密度,较高的高温力学强度、熔点和化学稳定性,优良的抗热震性和抗蠕变性。利用莫来石优异的物理、化学性能,结合造孔工艺,可以制备出一种理想的多孔陶瓷材料,应用于热梯度大的高温领域。例如:高温烟气过滤、高温熔体过滤、高温催化剂载体、高温热绝缘材料等。本论文结合发泡工艺和原位反应制备了高孔隙率莫来石晶须骨架结构多孔陶瓷。这种多孔陶瓷由两种不同类型的莫来石晶须构成。一种是固相反应生成的莫来石晶须(固-固晶须),构成多孔陶瓷的基本骨架;另一种是气相反应生成的莫来石晶须(气-固晶须),有序的附着在骨架的表面。这种晶须骨架结构的多孔陶瓷与传统的多孔陶瓷相比具有更大的比表面积和更好的过滤性能。本研究采用六氟铝铵和高岭土为原料,在煅烧过程中,两种原料之间通过一系列的气相和固相反应,生成莫来石晶须。为了在莫来石晶须骨架陶瓷中形成大尺寸的孔洞结构,采用玉米粉作为造孔剂,详细研究了玉米粉添加量和玉米粉粒度对多孔陶瓷体积密度和孔结构的影响。采用发泡工艺,制备出了高孔隙率(95 vol%)的莫来石晶须骨架多孔陶瓷,详细研究了各种工艺参数对发泡的影响。论文详细研究了烧成制度对莫来石晶须骨架形成的影响。论文详细研究了莫来石晶须骨架的形成机理。研究结果表明,气-固晶须是先通过气相反应生成硅线石晶须,然后再经热处理转化成莫来石晶须。这类晶须具有均匀的形貌和较高的长径比。而固-固晶须则是通过一系列的固相反应生成的,中间没有涉及到气相反应。先由高岭土和氟化铝通过固相反应,在低温(600℃)条件下生成黄玉晶须。当温度超过750℃时,黄玉晶须转化成硅线石晶须;最后,硅线石晶须经高温处理转化成莫来石晶须。这类固相晶须具有较低的长径比,且形貌不均匀。研究发现,气-固硅线石的莫来石转化温度为1400℃,而固-固硅线石的莫来石转化温度为1200℃。同时,论文研究了一种传统的莫来石多孔陶瓷的制备工艺。以高岭土和刚玉粉为原料,采用固相烧结法制备莫来石,详细研究了莫来石形成过程中的物相变化。同时,以玉米粉为造孔剂,制备了高孔隙率莫来石多孔陶瓷。论文对制备莫来石多孔陶瓷的原料,刚玉粉体和六氟铝铵粉体的合成工艺进行了深入研究。对六氟铝铵在无硅环境和含硅环境中的热分解行为及其产物形貌和晶相演化进行了详细的研究。论文详细研究了六氟铝铵的合成工艺。探讨了含铝前驱体、浸泡时间对六氟铝铵合成的影响,并研究了六氟铝铵的热降解行为。研究了工艺温度、升温速率对氧化铝晶须和硅线石晶须形成的影响,并探讨了它们的低温形成机制。研究结果表明:六氟铝铵在无硅的环境中煅烧,可以生成刚玉晶须和片。刚玉晶须的生成反应需要在一个潮湿的环境中才能发生,涉及到的气相反应为:AlF3(v)+H2O(v)→Al2O3(s)+HF(v)。采用该工艺制备出的氧化铝晶须是一种未知的过渡态晶型,经1200℃煅烧后可以转化成刚玉晶须。此外,六氟铝铵在含硅的环境中煅烧,可以生成莫来石晶须。莫来石晶须的生成,需要先在一个含硅的潮湿环境中低温煅烧,制备出硅线石晶须。涉及到的气相反应为:AlF3(v)+SiF4(v)+H2O(v)→(2Al2O3·SiO2)(s)+HF(v)。硅线石晶须再经高温煅烧,转化成莫来石晶须。此外,对刚玉粉体的一种合成工艺进行了研究:将硝酸铝溶液和碳酸氢铵溶液同时滴入装有去离子水的烧杯中,同时进行机械搅拌制备出湿凝胶。通过过滤、漂洗、干燥后,制备出一种无定型的碳酸铝铵和氢氧化铝的混合前驱体。这种前驱体经1100℃煅烧两个小时,可以制备出纯相的刚玉粉体。论文详细研究了反应温度(水浴)、投料速度、底液的pH值对前驱体制备的影响,并探讨了机械处理和添加晶种对降低相变温度的影响。
【关键词】：刚玉 硅线石 莫来石 晶须 多孔陶瓷 晶须骨架
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.6
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-42
• 1.1 莫来石概况13-18
• 1.1.1 莫来石的晶体结构和性能的关系14-16
• 1.1.2 莫来石陶瓷的应用16
• 1.1.3 莫来石的合成16-18
• 1.2 莫来石晶须的制备18-20
• 1.2.1 固相反应法18-19
• 1.2.2 熔盐法19
• 1.2.3 气相法19
• 1.2.4 氧化物掺杂法19-20
• 1.3 多孔陶瓷简介20-27
• 1.3.1 多孔陶瓷的分类20
• 1.3.2 多孔陶瓷的性能20-21
• 1.3.3 多孔陶瓷的特点21-22
• 1.3.4 多孔陶瓷的应用22-23
• 1.3.5 多孔陶瓷的制备工艺23-27
• 1.4 莫来石多孔陶瓷的制备27-29
• 1.4.1 造孔剂法27-28
• 1.4.2 冷冻凝胶成型法28
• 1.4.3 凝胶冷冻干燥法28
• 1.4.4 发泡法28-29
• 1.4.5 溶胶-凝胶法29
• 1.4.6 控制黄玉分解制备晶须骨架多孔陶瓷29
• 1.5 刚玉粉体的制备29-34
• 1.5.1 固相法30-31
• 1.5.2 液相法31-33
• 1.5.3 气相法33-34
• 1.6 刚玉晶须和刚玉片的制备34-40
• 1.6.1 刚玉晶须的制备35-38
• 1.6.2 刚玉片的制备38-40
• 1.7 本研究的研究内容以及目的和意义40-42
• 1.7.1 研究的目的和意义40-41
• 1.7.2 研究内容41
• 1.7.3 论文的创新点41-42
• 第二章 实验及表征42-50
• 2.1 实验原料42-43
• 2.2 实验设备43-44
• 2.3 表征设备44
• 2.4 分析测试方法44-45
• 2.5 实验过程和实验内容以及样品的制备45-50
• 2.5.1 实验过程和实验内容45-48
• 2.5.2 样品的制备48-50
• 第三章 刚玉粉体的合成及其应用于传统莫来石多孔陶瓷的制备50-75
• 3.1 前驱体的制备50-54
• 3.1.1 pH值的影响50-52
• 3.1.2 滴定速度的影响52-53
• 3.1.3 温度的影响53-54
• 3.2 前驱体的性能研究54-57
• 3.2.1 前驱体在煅烧过程中的晶相演化54-55
• 3.2.2 前驱体的红外光谱分析55-56
• 3.2.3 前驱体的热降解56-57
• 3.3 刚玉粉体形貌和团聚的控制57-65
• 3.3.1 超声处理对降低相变温度的影响57-59
• 3.3.2 添加晶种对降低相变温度和形貌的影响59-64
• 3.3.3 刚玉粉体的烧结性能64-65
• 3.4 制备传统的莫来石多孔陶瓷65-73
• 3.4.1 以玉米粉为造孔剂制备传统的莫来石多孔陶瓷66-69
• 3.4.2 结合发泡工艺制备传统的莫来石多孔陶瓷69-73
• 3.5 本章小结73-75
• 第四章 六氟铝铵的合成及其在不同环境中的热分解产物研究75-114
• 4.1 六氟铝铵的合成75-78
• 4.2 六氟铝铵在无硅环境中的热分解78-94
• 4.2.1 六氟铝铵的TG-DSC分析78-79
• 4.2.2 六氟铝铵在煅烧过程中产物形貌和晶相的演化及其形成机理研究79-84
• 4.2.3 氧化铝晶须生长过程研究84-88
• 4.2.4 升温速率对氧化铝晶须形成的影响88-89
• 4.2.5 过渡氧化铝晶须高温转化为刚玉晶须89-91
• 4.2.6 煅烧温度和升温速率对氧化铝片形成的影响91-94
• 4.3 六氟铝铵在含硅环境中的热分解94-112
• 4.3.1 煅烧温度对气-固硅线石晶须形成的影响94-97
• 4.3.2 硅线石晶须形成过程的研究97-99
• 4.3.3 升温速率对气-固硅线石形成的影响99-104
• 4.3.4 气-固硅线石晶须的形成机理研究104-107
• 4.3.5 六氟铝铵在不同含硅环境中生成气-固硅线石晶须的研究107-110
• 4.3.6 硅线石晶须热处理转化为莫来石晶须110-112
• 4.4 本章小结112-114
• 第五章 莫来石晶须骨架多孔陶瓷的制备114-137
• 5.1 制备莫来石晶须骨架结构的多孔陶瓷114-120
• 5.1.1 六氟铝铵添加量对多孔陶瓷体积密度的影响及晶相演化的研究114-116
• 5.1.2 升温制度对多孔陶瓷骨架结构和晶相组成影响的研究116-118
• 5.1.3 煅烧温度对多孔陶瓷晶须骨架结构演变以及力学性能和导热性能的影响118-120
• 5.2 以玉米粉为造孔剂制备莫来石晶须骨架结构的多孔陶瓷120-125
• 5.2.1 玉米粉添加量对多孔陶瓷体积密度的影响120-122
• 5.2.2 玉米粒度对多孔陶瓷体积密度的影响122-123
• 5.2.3 多孔陶瓷的形貌和结构观察123-125
• 5.3 结合发泡工艺制备莫来石晶须骨架结构的多孔陶瓷125-129
• 5.4 莫来石晶须骨架的形成机理研究129-135
• 5.5 本章小结135-137
• 结论137-140
• 参考文献140-153
• 攻读博士学位期间取得的研究成果153-154
• 致谢154-155
• 附件155

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 梁邦兵,黄志良,张联盟,刘羽,汪奇林;模板诱导/水热法制备α-氧化铝晶须及其表征[J];武汉化工学院学报;2005年04期

2 付高峰;王晶;康健;;Influence of AlF_3 and hydrothermal conditions on morphologies of α-Al_2O_3[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2008年03期

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本文编号：946078