以石墨为造孔剂制备堇青石多孔陶瓷材料.docx

以石墨为造孔剂制备堇青石多孔陶瓷材料赵根发1)洋1)乔利杰1)黄妃慧2)白1)北京科技大学环境断裂教育部重点实验室北京1000832)北京奥福(临邑)精细陶瓷有限公司北京101101摘要:以滑石、高岭土、氧化铝、氢氧化铝和二氧化硅为原料，采用基础配方(w):氧化铝17．8%、氢氧化铝4．5%、滑石42．4%、煅烧高岭土22．6%、生高岭土5．7%、二氧化硅7%，分别外加0、25%、35%、45%、55%质量分数的石墨做造孔剂，以PVA为结合剂，经混合、成型后，分别在1250、1300、1350℃保温1h热处理而制备了适用于汽油机颗粒物捕集器(GPF)的堇青石多孔陶瓷材料，并对该试样进行了XＲD和SEM分析、孔径大小和分布、显气孔率以及烧结等性能的研究。结果表明:以石墨为造孔剂，在1300℃保温1h可以制备出微孔化且孔径大小呈梯度分布的堇青石多孔材料;改变石墨加入量，可以有效控制试样的气孔率、孔径大小及孔径分布，当石墨质量分数为45%左右时，试样的显气孔率最大，抗折强度也较高，综合性能较好。关键词:多孔陶瓷;堇青石;热膨胀;烧结性能;汽油机颗粒物捕集器(GPF)中图分类号:TQ175文献标识码:A文章编号:1001－1935(2014)04－0278－004DOI:10．3969/j．issn．1001－1935．2014．04．011欧洲2011年实行的欧5b法规在柴油车上控制排放颗粒的数量，预计很快将对汽油车的颗粒排放数量进行限制规定。因此，汽油直喷发动机将有必要安装颗粒过滤器以达到法规要求［1－2］。柴油机微粒捕集器(DPF)作为能够去除排气中PM成分的最有效的后处理设备，已经有三十多年的发展历史，并在近十年来得到了越来越多的柴油机生产厂商和研究机构的重视。世界各国围绕DPF展开的研究主要是针对DPF材料、结构和再生三方面展开的［3－4］。目前，对于汽油机颗粒物捕集器(GPF)材料的相关报道还很少。多孔陶瓷作为过滤材料、催化剂载体、吸声材料、保温隔热材料、生物材料、红外燃烧器等得到了广泛应用［5－8］。由于堇青石具有较低的热膨胀系数［9－10］，因此选用堇青石多孔陶瓷作为GPF材料。在本工作中，以石墨为造孔剂制备了GPF用多孔陶瓷材料，同时主要研究烧成温度和石墨加入量对堇青石多孔陶材料性能的影响。颗粒分布比较均匀，中位径为14．65μm(见图2)。表1原料的化学组成Table1Chemicalcompositionofstartingmaterialsw/%原料名称Al2O3SiO2MgOCaOFe2O3TiO2K2ONa2O氧化铝氢氧化铝滑石煅烧高岭土生高岭土二氧化硅≥99≥64≤0．8≥43≥46≤0．4≤0．2≤0．3≤0．3≤0．3≤0．3≤0．8≤1．0≤1．0≤0．3≤0．3≤1．0≤1．0≤0．5≤0．5≤1．0≤1．0≤0．5≤0．5≤0．5≤0．5≤0．3≤0．3≥59≥52≥37≥98．5≥291试验图1石墨的SEM照片Fig．1SEMimageofgraphite原料主要原料有≤2μm的氧化铝、≤4μm的氢氧化铝、≤15μm的滑石、≤20μm的煅烧高岭土、4～8μm的生高岭土和≤4μm的二氧化硅，其化学组成见表1。以石墨为造孔剂，其结构呈片层状(见图1)。1．1赵根发:男，1984年生，博士研究生。E-mail:zhaogenfa@163．com指导老师:白洋，男，1979年生，博士，教授。E-mail:ybai@mater．ustb．edu．cn收稿日期:2013－10－24*编辑:柴剑玲278http://www．nhcl．com．cnNAIHUOCAILIAO/耐火材料2014/4第4期赵根发，等:以石墨为造孔剂制备堇青石多孔陶瓷材料2014年8月从图3所示石墨的TG－DSC曲线可以看出，石墨的总质量损失约为35．15%，烧失温度应选择在1000℃以上。图2石墨的粒度分布Fig．2Particlesizedistributionofgraphite图4石墨质量分数为35%的试样在不同温度烧后的XＲD图谱Fig．4XＲDpatternsofspecimenswith35%graphitefiredatdifferenttemperatures热膨胀、气孔率和孔径分布图5为不同石墨加入量的试样在1300℃烧后的热膨胀曲线。可以看出，不同石墨加入量的试样热膨胀曲线大致相似，石墨质量分数45%和55%的试样在800℃以上的热膨胀曲线几乎重合;随着石墨加入量的增加，热膨胀系数减小，石墨质量分数为35%的试样在同一温度下的热膨胀量明显比其他两种的要大，热膨胀系数也较大。2．2图3石墨的TG－DSC曲线Fig．3TG－DSCcurvesofgraphite试样制备试验中采用的基础配方(w)如下:氧化铝1．21