摘要
多孔陶瓷被广泛地应用于高温隔热材料、气/液过滤、净化分离、催化剂载体、吸声减震材料、生物植入材料和传感器材料等。本文先以Al2O3、SiO2粉或莫来石(Al6Si2O13)粉为原料，分别以AlF3·3H2O和TiO2为添加剂，通过原位反应的方法制备了Al6Si2O13晶须/柱晶;在对合成过程热力学分析的基础上，研究了反应温度、添加剂种类和用量以及反应时间等对Al6Si2O13晶须/柱晶合成过程的影响;依据密度泛函理论(DFT)计算的Al6Si2O13各晶面对AlF3(g)和SiF4(g)吸附能的结果，探讨了Al6Si2O13晶须/柱晶的生长机理;同时也对Al6Si2O13晶须/柱晶的生长动力学进行了研究。在此基础上，采用发泡-注凝成型法制备了Al6Si2O13柱晶自增强多孔陶瓷;研究了Al6Si2O13浆料的稳定性、流变性和胶凝性能，发泡剂的用量、AlF3·3H2O和TiO2用量以及烧结温度、自结合Al6Si2O13相的用量对多孔陶瓷常温力学性能的影响，研究了所制备多孔陶瓷的高温力学性能、抗热震性能和热导率随温度的变化关系，并采用ANSYS有限元对Al6Si2O13多孔陶瓷的高温隔热性能进行了预测。研究结果表明: (1)以Al2O3和SiO2粉为原料，以AlF3·3H2O为添加剂，经1673K反应5h所合成Al6Si2O13晶须的平均长度和长径比最大，分别约为99.0μm和54。Al6Si2O13晶须的生长过程是由气-固反应机理控制的。密度泛函理论(DFT)计算结果表明，Al6Si2O13各晶面吸附AlF3(g)和SiF4(g)的吸附能大小顺序分别为:Eads(001)＞Eads(111)＞Eads(210)＞Edas(120)＞Eads(110)和Eads(001)＞Eads(111)＞Eads(120)＞Eads(110)＞Eads(210)，吸附于Al6Si2O13的(001)面上的AlF3(g)分子和SiF4(g)分子，促使了晶须沿(001)面生长。Al6Si2O13晶须沿长度和直径方向的生长动力学指数分别为3.3和7.2。 (2)以Al6Si2O13粉为原料，分别以AlF3·3H2O和TiO2为添加剂，通过原位反应的方法制备了Al6Si2O13柱晶。当AlF3·3H2O和TiO2的用量分别为4wt％和7wt％时，经1873K反应5h后所合成Al6Si2O13柱晶的平均长度最长，分别为22.3μm和27.5μm。 (3)以Al6Si2O13粉为原料、Isobam104为分散剂和粘结剂、十二烷基硫酸三乙醇胺为发泡剂和羧甲基纤维素钠为稳泡剂制备了Al6Si2O13多孔陶瓷。即使其孔隙率高达76％时，所制备多孔陶瓷的耐压强度和抗折强度仍分别为15.3MPa和3.7MPa。推导了孔隙率在67～76.9％之间的Al6Si2O13多孔陶瓷在不同温度下的热导率计算模型为λ=2λmλaP+λaλs+2λmλs(1-P)/λa(1-P)+aλm+λsP+16σT3/3ER。 (4)分别以AlF3·3H2O(0～8wt％)和TiO2(0～9wt％)为添加剂，采用发泡-注凝成型法制备了Al6Si2O13柱晶自增强多孔陶瓷。适量添加剂的加入可以明显地减小多孔陶瓷的气孔孔径及其分布，并提高了其抗折强度，所制备的孔隙率约为67.0％的Al6Si2O13柱晶自增强多孔陶瓷的常温抗折强度可达13.9MPa，比无柱晶多孔陶瓷的抗折强度提高了约27％。 (5)在50N-600N-50N的循环压应力下，随着温度的升高，Al6Si2O13多孔陶瓷的变形位移量呈先减小后增大，最后断裂的趋势。多孔陶瓷的抗折强度随着温度的升高，呈先逐渐增大，然后又逐渐减小的趋势;所制备的Al6Si2O13柱晶自增强多孔陶瓷的高温抗折强度远高于无柱晶多孔陶瓷，在1473K时，Al6Si2O13柱晶自增强多孔陶瓷的抗折强度约为6.7MPa，比无柱晶多孔陶瓷的抗折强度(5.9MPa)提高了约13.6％;即使在1673K时，Al6Si2O13柱晶自增强多孔陶瓷的抗折强度仍可达2.8MPa。 (6)以Al2O3和SiO2为自结合相粉体，采用发泡-注凝成型法经1873K/2h烧结后制备了自结合Al6Si2O13多孔陶瓷。AlF3·3H2O的引入可在自结合多孔陶瓷中原位生成大量的Al6Si2O13柱晶，显著地提高其力学性能。孔隙率为71.1％的Al6Si2O13柱晶增强自结合多孔陶瓷的耐压强度和抗折强度最高可分别达28.2MPa和11.5MPa，明显高于孔隙率为70.3％的无柱晶自结合多孔陶瓷（耐压强度和抗折强度分别为11.6MPa和6.5MPa）。
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