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摘 要

陶瓷过滤材料由于具有机械强度高、耐腐蚀、耐高温以及抗热震性能好等优点，在过去几年里吸引了越来越多的关注，其应用领域涉及煤炭气化、火力发电、冶金、有机硅生产等行业。碳化硅由于其优良的性能被认为是最佳的高温气体过滤材料之一，但由于其熔点较高，通常需要很高的烧结温度。增加氧化铝或氧化锆等低共熔氧化物作为烧结助剂可以降低烧结温度，但是这样会降低材料的孔隙率，影响气体渗透性能，所以增加碳化硅陶瓷孔隙率、孔径及其渗透性能是碳化硅多孔陶瓷的研究重点。

本文以粒径为100 μm的碳化硅粉末作为陶瓷的原料，添加氧化锆作陶瓷烧结助剂，碳化硅晶须作为陶瓷增强剂以及碳粉作为造孔剂来制备多孔陶瓷材料，采用单向干压成型的方法来制备多孔SiC陶瓷。实验考察了碳粉添加量对制成的多孔陶瓷的孔隙率、孔径分布、氮气通量、机械强度等性能的影响。通过孔径分布仪、电子万能试验机、X射线衍射仪、扫描电镜（SEM）等对材料性能进行一系列的表征。实验结果表明：碳粉加入量由20%增加到30%时，通过调节成型压力，多孔碳化硅陶瓷的孔隙率能从44.7%提高到53%，氮气通量从730 m³∙m^-2∙h^-1∙kPa^-1提高到1300 m³∙m^-2∙h^-1∙kPa^-1。

关键词：多孔SiC陶瓷 晶须 活性炭

The preparation and characterization of the porous ceramic incorporated by activated carbon

Abstract

Ceramic filters are more and more popular in these years because of its strong mechanical strength, corrosion resistance, high temperature resistance and thermal shock resistance. They are applied in fields just as coal gasification, thermal generation, metallurgy and silicone production. They show good performance for retention of PM2.5 in gas-solid separation. Silicon is thought to be one of the best hot gas filtration materials for its property. However, we always need a high sintering temperature because of its high melting point. If we want a lower sintering temperature, eutectic oxide just as metal oxide(alumina, zirconia)is needed to be sintering aids. But it will lower the porosity of this material and affect gas penetrating quality. As a result, increasing the porosity, pore size and penetrating quality become the focus in research.

In this study, silicon carbide powder of pore size of 100 μm is used as raw powder, adding zirconia as sintering assistant, silicon carbide whisker as reinforcing agent and carbon dust as pore-forming agent to prepare porous ceramic. We discuss the effect that the amount of pore-forming agent has on the porosity, pore size distribution, nitrogen flux and mechanical strength of the porous ceramic. The pore size analyzer, flexure strength analyzer, X-ray diffraction and Scanning electron microscope is used to characterize the product. The results are shown that when the addition of carbon powder increases from 20% to 30%,the porosity of the porous SiC ceramic increases from 44.7% to 53%, while the N₂ permeability coefficient increases from 730 m³∙m^-2∙h^-1∙kPa^-1 to 1300 m³∙m^-2∙h^-1∙kPa^-1 through adjusting the forming pressure.

Key Words: Porous SiC ceramic; Whisker; Activated carbon

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 i

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 多孔SiC的陶瓷制备方法 3

1.2.1 颗粒堆积法 3

1.2.2 添加造孔剂法 3

1.2.3 模板合成法 3

1.2.4 直接发泡法 4

1.2.5 溶胶-凝胶法 4

1.3 课题研究目的及意义 4

第二章 实验方法及过程 7

2.1 实验原料及仪器 7

2.1.1 实验原料 7

2.1.2 实验仪器 7

2.2 实验工艺流程 8

2.3 表征方法 9

第三章 结果与讨论 11

3.1 多孔碳化硅陶瓷的制备 11

3.1.1 实验原料的表征 11

3.1.2 升温曲线 13

3.2 碳粉加入量及成型压力对多孔碳化硅陶瓷气体渗透性能的影响 14

3.2.1 碳粉加入量以及成型压力对多孔碳化硅陶瓷孔隙率的影响 14

3.2.2 碳粉加入量对多孔碳化硅陶瓷孔径的影响 15

3.2.3 碳粉加入量对多孔碳化硅陶瓷气通量的影响 16

3.2.4 成型压力对多孔碳化硅陶瓷气通量的影响 17

3.3 碳粉加入量以及成型压力对多孔碳化硅陶瓷抗弯强度的影响 18

第四章 结论与展望 19

参考文献 21

致谢 23

第一章 文献综述

1.1引言

改革开放以来，中国的经济开始迅猛发展。随着经济的发展，各类农业、工业等也开始迅速发展，在短短的几十年间，各类工厂如雨后春笋般出现。这在提高我国的国民经济水平的同时，也带来了许多环境问题。北京的“雾霾^[1]”就是其中最显著的一个例子。“雾霾”是指空气中的灰尘、硫酸、有机物等大量极细微粒漂浮在空气中，使空气浑浊，从而使得视线模糊。空气中悬浮的小颗粒很大程度上会通过人的呼吸进入呼吸道，从而引起一系列疾病，对人类的身体健康产生极大危害。因此环境问题成为工业发展中需要解决的一大问题，气固分离概念因运而生。

无机膜^[2,3]作为新型分离介质具有许多独特的优点，如耐高温、化学稳定性强、机械强度高以及分离效率高等。因此，以无机膜分离为基础正在发展一类绿色高新技术，对食品、医药、生物工程、石油化工、环境工程、新能源等领域发展起到重要作用。

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