1 1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院, 轨道车辆安全监测与健康管理研究中心, 北京 100044
2 2.北京建筑材料科学研究总院有限公司 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室, 北京 100041
为拓展铁尾矿的资源化利用途径, 本研究分别以细颗粒高硅铁尾矿、铁尾矿+石墨粉以及铁尾矿+石墨粉+碳化硅粉为原料, 采用泡沫注凝成形-常压烧结、泡沫注凝成形-反应烧结和模压成形-反应烧结工艺制备了铁尾矿多孔陶瓷和三种以碳化硅为主晶相的多孔陶瓷。通过DSC-TG和XRD分析, 研究了铁尾矿自身的烧结过程以及铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应烧结过程, 对比分析了四种多孔陶瓷材料的孔隙率、压缩强度、热导率等性能。结果表明, 以铁尾矿为原料可制备具有较高孔隙率(87.2%)、压缩强度(1.37 MPa)和低热导率(0.036 W/(m·K))的铁尾矿多孔陶瓷, 它是一种高效保温隔热材料; 利用铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应可获得碳化硅多孔陶瓷, 其热导率显著提高, 但强度偏低; 而在原料中加入部分碳化硅, 可以明显改善多孔陶瓷的压缩强度, 获得具有高孔隙率(91.6%)、较高压缩强度(1.19 MPa)和热导率(0.31 W/(m·K))的碳化硅多孔陶瓷, 它可作为轻质导热材料或复合相变材料的载体使用; 与泡沫注凝成形工艺相比, 采用模压成形工艺制备的碳化硅多孔陶瓷虽然孔隙率有所降低(79.3%), 但热导率得到显著提升(1.15 W/(m·K)), 同时原料和生产成本大幅降低, 有利于实现产品的工业化生产。
铁尾矿 多孔陶瓷 碳化硅 反应烧结 泡沫注凝成形 iron tailing porous ceramics SiC reactive sintering foam gel-casting
1 山西工程技术学院材料科学与工程系, 阳泉 045000
2 山西省阳泉市水文水资源勘测站, 阳泉 045000
对粉煤灰基多孔陶瓷的有效利用不但能够减少粉煤灰对环境的污染, 而且在废水处理等领域表现出较高的应用价值。本文以粉煤灰为主要原料, 膨润土为黏结剂, 活性炭为造孔剂, 采用直接成型烧结工艺制备了一种性能优异的多孔陶瓷材料, 并研究了烧结温度和活性炭用量对多孔陶瓷结构与性能的影响。结果表明, 粉煤灰/膨润土烧结形成陶瓷骨架, 活性炭氧化形成孔洞结构, 在两者协同作用下形成多孔陶瓷材料。随着烧结温度的升高和活性炭用量的减少, 多孔陶瓷材料的显气孔率和吸水率减小, 体积密度和抗压强度增大。当烧结温度为1 100 ℃和活性炭用量为60%(质量分数)时, 所制备的多孔陶瓷综合性能更优, 显气孔率为6175%, 体积密度为093 g·cm-3, 吸水率为 6348%, 抗压强度为429 MPa, 对浓度为100 mg·L-1的Pb2+溶液的去除率为984%, 饱和吸附量高达4579 mg·g-1。
粉煤灰 活性炭 多孔陶瓷 去除率 吸附量 fly ash activated carbon porous ceramics Pb2+ Pb2+ removal rate adsorption capacity
1 西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室, 绵阳 621010
2 西南科技大学矿物材料及应用研究所, 绵阳 621010
3 西南科技大学分析测试中心, 绵阳 621010
低成本制备堇青石多孔陶瓷一直是专家学者们研究的热点, 本文以石棉尾渣、粉煤灰、高岭土为原料, 在不添加发泡剂的情况下, 采用直接烧结法成功制备了堇青石多孔陶瓷, 系统研究了堇青石多孔陶瓷的物相演化、显微结构及理化性能。结果表明: 烧结温度的升高和配方中高岭土含量的增加有助于样品中堇青石的合成, 高岭土的添加可以有效降低样品发泡的温度和提高样品的孔隙率; 当烧结温度为1 240 ℃, 焙烧后的石棉尾渣、焙烧后的粉煤灰和高岭土质量比为5∶5∶3时, 制备的堇青石多孔陶瓷的体积密度仅为0.6 g/cm3, 孔隙率高达76.94%; 当烧结温度为1 220 ℃, 焙烧后的石棉尾渣、焙烧后的粉煤灰和高岭土质量比为5∶5∶5时, 制备的堇青石多孔陶瓷吸水率达到最大值34.57%; 此外, 制备的堇青石多孔陶瓷还表现出良好的耐碱性能。
堇青石 多孔陶瓷 自发泡 石棉尾渣 粉煤灰 高岭土 cordierite porous ceramics self-swelling asbestos tailing fly ash kaolin
武汉科技大学，省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，武汉 430081
以发泡-注凝工艺所制备的硅藻土多孔陶瓷为基体，借助溶剂热法原位生成的SiO2微球提高硅藻土多孔陶瓷的表面粗糙度，以Capstone FS-50 (CS-50)为改性剂改变多孔陶瓷的润湿状态，制备可用于油水乳液连续分离的SiO2微球和CS-50共改性的超亲水-超疏油硅藻土多孔陶瓷(SSMDPC)，研究了TEOS和NH3·H2O加入量及CS-50溶液的浓度对所制备改性试样微观形貌、润湿性及油水分离性能的影响。研究表明：SSMDPC在空气中和水下的油接触角最高分别可达153°和158°；其最佳制备工艺条件如下：TEOS和NH3·H2O加入量及CS-50溶液的掺杂量分别为5%(体积分数)和2%及5%。SSMDPC对食用油/水混合液体及食用油/水乳液(5:95，质量比)的连续分离通量和分离效率分别为162.3 kg·min-1·m-2和98.3%、93.7 kg·min-1·m-2和91.3%；SSMDPC在pH=1、pH=14、1 mol/L NaCl、-196 ℃及200 ℃的条件下，仍能保持稳定的亲水疏油性，说明其在油水乳液分离方面具有广阔的应用前景。
油水乳液 超亲水-超疏油 硅藻土多孔陶瓷 表面改性 oil-water emulsion superhydrophilic-superoleophobic diatomite porous ceramics surface modification
1 武汉科技大学，省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室
2 武汉科技大学， 高温材料与炉衬技术国家地方联合工程研究中心，武汉 430081
3 华中科技大学材料科学与工程学院，材料成形及模具技术国家重点试验室，武汉 430074)
针对多孔介质高温燃烧用碳化硅多孔陶瓷因高温氧化导致抗热震性能以及辐射效率衰减等问题，首先采用有机泡沫浸渍法制备碳化硅素坯，经低温预烧、真空浸渍含Mg(OH)2、单质Si和α-Al2O3浆料，经过原位反应烧结在碳化硅骨架表面构筑含堇青石红外辐射涂层的碳化硅多孔陶瓷。结果表明：真空浸渍浆料能在碳化硅骨架表面涂覆连续涂层的同时，能完全填充骨架的三角孔洞，经1 350 ℃烧结成功制备了具有堇青石涂层、碳化硅骨架中间层、堇青石填充层的3层结构碳化硅多孔陶瓷。3层结构的形成显著提高了碳化硅多孔陶瓷力学性能及抗热震性能以及高温抗湿氧化能力，碳化硅多孔陶瓷在1?350 ℃热处理后耐压强度达到1.18 MPa、残余强度保持率达67%；碳化硅多孔陶瓷中3层结构孔筋表面堇青石红外辐射涂层的形成，强化了碳化硅多孔介质燃烧器辐射换热过程和燃烧效率，将燃烧器表面温度提高约140 ℃，并显著降低了燃烧器中CO、NOx等污染物的排放量。
碳化硅多孔陶瓷 堇青石 涂层 3层结构 抗热震 silicon carbide porous ceramics cordierite coating three-layered struts thermal shock resistance porous media combustion
1 中国钢研科技集团有限公司，北京 100081
2 清华大学材料学院，北京 100084
3 钢铁研究总院，北京 100081
陶瓷支撑体是多孔陶瓷膜应用的基础。对于传统陶瓷支撑体(如氧化铝)，昂贵的原料价格及较高的烧结成本限制了其进一步应用。因此，选用合适的天然矿物原料来实现陶瓷支撑体的低成本制备成为当前研究重点。本工作以高岭土、滑石、碳酸钙为原料，制备出系列多孔陶瓷支撑体。采用热膨胀仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、压汞仪、万能试验机对坯体的烧结特性以及多孔陶瓷支撑体的物相组成、显微结构、孔径尺寸分布、抗弯强度和耐酸碱腐蚀性进行了研究。结果表明：坯体具有优良的低温烧结特性，通过化学反应烧结机制实现了多孔陶瓷支撑体的制备。烧结温度在1 000～1 200 ℃间较为适宜，所得支撑体的显微结构均匀，孔径呈单峰分布，开口气孔率、平均孔径尺寸、抗弯强度、0.1 MPa气体压力差下氮气通量分别为49.8%～49.4%、1.09～1.83 μm、40.57～28.85 MPa、119～340 m3·m-2·h-1，同时具有良好的耐碱腐蚀性能。
天然矿物 多孔陶瓷支撑体 烧结特性 显微结构 氮气通量 natural mineral porous ceramic support sintering characteristic microstructure nitrogen gas flux
哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院, 哈尔滨 150040
以α-Al2O3为原料, 环保无毒的海藻酸钠为凝胶体系, 通过氯化钙溶液引入钙离子, 利用凝胶-滴注及无压烧结的方法制备了Al2O3多孔陶瓷球, 研究了固化时间及烧结温度对Al2O3多孔陶瓷球的气孔率、抗压强度及显微结构的影响规律。结果表明: 固化时间延长, 有利于钙离子迁移, 与海藻酸钠发生反应, 形成三维交联网状结构, 使Al2O3粉原位固化形成陶瓷球坯。烧结温度升高, 颗粒间的间隙孔减少, 显微结构更加均匀, 抗压强度升高。Al2O3多孔陶瓷球的气孔率约在47.7%~78.1%之间, 抗压强度在1.2~36.0 MPa范围内。通过优化固化时间、烧结温度、Ca2+浓度等工艺参数可调控多孔陶瓷球的气孔率、孔结构及抗压强度。利用工艺简单的凝胶-滴注法方便进行多孔陶瓷球的直径、球形度及性能的控制, 在催化剂载体、吸附、分离提纯等领域将具有广泛的应用前景。
Al2O3多孔陶瓷球 凝胶-滴注法 海藻酸钠 固化时间 烧结温度 alumina porous ceramic beads gel-dripping method sodium alginate coagulation time sintering temperature
北京交通大学机械与电子控制工程学院, 北京交通大学材料科学与工程研究中心, 北京 100044
以碳酸钙、α-氧化铝和二氧化硅为原料、明胶作为凝胶剂, 采用泡沫注凝法制备了系列钙长石多孔陶瓷, 研究了明胶添加量对制备材料组成、结构与性能的影响。结果表明: 明胶添加量对物相组成没有影响, 均获得了单相材料; 但对材料性能有一定的影响, 当明胶添加量由6%(质量分数)增加到12%时, 总气孔率由89.7%缓慢降低到88.0%, 体积密度由0.28 g/cm3增大到0.33 g/cm3, 抗压强度由1.02 MPa增加到2.54 MPa, 热导率由0.038 W/(m·K)升高至0.059 W/(m·K)。采用此方法可制备出同时具有低密度、高强度和低热导率的钙长石多孔陶瓷。
钙长石 多孔陶瓷 明胶 泡沫注凝法 热导率 anorthite porous ceramics gelatin foam gel-casting method thermal conductivity
1 冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室(安徽工业大学), 安徽 马鞍山 243002
2 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室, 安徽 马鞍山 243002
3 安徽工业大学材料科学与工程学院, 安徽 马鞍山 243032
以赤泥和高铝粉煤灰为主要原料, 通过高温熔融发泡法制备赤泥-高铝粉煤灰基多孔陶瓷, 研究了原料组成及发泡工艺对泡孔结构及性能的影响。结果表明: 随着原料成分中SiO2和Al2O3质量比从1.2增加到1.9时, 在1 200 ℃保温1 h进行熔融发泡后, 获得的赤泥-高铝粉煤灰基多孔陶瓷泡孔结构由闭孔向开孔转变, 并最终形成复合泡孔结构。平均孔径及孔隙率逐渐增加, 体积密度减小, 导热系数也随之降低。当发泡剂为5%(质量分数)的SiC、35%的钠、钾长石作为助熔剂时, 可获得体积密度为0.63 g/cm3、平均孔径约为0.98 mm、总孔隙率达70%, 泡孔分布较均匀的复合泡孔结构的赤泥-高铝粉煤灰基多孔陶瓷; 其抗折强度及导热系数分别为7.17 MPa和0.34 W/(m·K)。
赤泥 高铝粉煤灰 多孔陶瓷 泡孔结构 red mud high aluminum fly ash porous ceramics cellular structure
1 北京建筑材料科学研究总院有限公司,固废资源化利用与节能建材国家重点实验室, 北京 100041
2 河北睿索固废工程技术研究院有限公司, 承德 067000
3 北京环境工程技术有限公司, 北京 100101
4 北京市城镇生活固废综合处理与资源化工程技术研究中心, 北京 100101
以铁尾矿多孔陶瓷为载体, 通过自发浸渗法成功制备出了添加石墨烯的复合相变储能材料, 并对该材料热学性能及稳定性进行测试。结果表明: 通过改变载体孔隙率, 可以制得导热系数为0.41~0.59 W/(m·K)、潜热为69~120 kJ/kg、热学稳定性良好的导热增强复合相变储能材料。通过拟合, 复合相变储能材料的导热系数与多孔载体的孔隙率呈线性关系, 且经100次热循环后材料熔化潜热和导热系数分别降低了3.2%和16.7%。本研究为固废铁尾矿在蓄热、储能领域的应用提供了新思路。
石蜡 复合相变储能材料 铁尾矿多孔陶瓷 石墨烯 热学性能 热学稳定性 paraffin composite phase change material for energy storage iron tailing porous ceramics grapheme thermal property thermal stability
