中国科学院过程工程研究所机构知识库

多孔陶瓷在过滤、隔热、吸音、催化剂载体等领域具有广泛应用。常规粉体制备的多孔陶瓷孔结构的可控性差,主要由于所用的不规则形貌粉体在烧结过程中容易发生团聚收缩,导致不均匀烧结。高温等离子体制备的SiO_2、Al_2O_3粉体,具有球形、致密、低比表面的特性,其表面能分布均匀、热稳定性良好,在多孔陶瓷烧结制备中能有效地避免颗粒间的团聚收缩,使设计的功能孔隙完好保留。本研究利用球形SiO_2颗粒(20-50μm)紧密堆积造孔,结合注凝成型,获得了孔隙均匀、贯通、光滑的多孔陶瓷,通过改变原料粒径线性地调控了陶瓷孔径(8-25μm);对孔道进行渗透性测试,发现150 KPa下氮气渗透通量达到4.4·10~6 L/(m2h),是常规不规则孔道的30倍,100 KPa下纯水通量为30·10~4 L/(m~2h),是常规孔道的6倍左右。随后,将具有均匀贯通孔道的多孔陶瓷发展到能耐更高温度的Al_2O_3体系中,陶瓷制备之前,将原料颗粒进行硅溶胶包覆预处理,同时实现了烧结温度的降低与孔结构的完好保留,获得的陶瓷具有莫来石烧结颈部,有利于抗热震性能的提高;得到的Al_2O_3/SiO_2高温复合多孔陶瓷,同样具有优越的渗透性。研究发现,非晶态SiO_2颗粒实现堆积孔隙完好保留的原因是颗粒比表面积极低,颗粒表面经历软化-粘稠-熔化的温度区间延长,高强烧结颈部可以在表面粘稠阶段获得而没有孔隙收缩;晶态Al_2O_3颗粒(20-50μm)的低活性则来源于低比表面积带来的低传质效率,掺杂的氧化硅促进了Al~(3+)的熔融传质,从而实现了高强颈部的低温烧结。