摘要
大气污染是非常严重的全球性环境危机，颗粒污染物（PM）是大气污染的重要来源。近年来各国对气体排放的标准也越来越严格。因此过滤效率高、过滤阻力低、高强度、耐高温的多孔陶瓷成为最具有发展潜力的高温气体过滤材料。定向冷冻浇注制备的氧化铝多孔陶瓷具有孔径较大的层状直通孔和亚微米级互通紊乱孔组成的非对称结构：亚微米及纳米网状孔对超细颗粒（PM0.3）具有较高的过滤效率，层状直通孔结构非常有利于减小过滤阻力，在气体过滤应用方面有广阔的前景。但目前的研究中依然存在一些问题，一方面各向异性的层状孔结构导致其横向的抗压强度较差。另一方面，虽然紊乱层作为过滤层使多孔陶瓷对亚微米颗粒的过滤效率较高，但会使过滤阻力增大，而减小紊乱层厚度，则使滤材对亚微米颗粒的过滤效率降低。本文引入超细氧化铝纤维作为第二相，在层间形成不连续的纤维桥结构，通过纤维的支撑作用提升材料的力学性能，借助纤维对颗粒物的碰撞拦截作用提高多孔陶瓷的气体过滤性能。 本文在10vol%氧化铝-水基冷冻浆料中引入超细氧化铝纤维，制备具有高强度和气体过滤性能好的多孔氧化铝陶瓷。研究了纤维引入量和长径比对多孔氧化铝陶瓷结构和性能的影响。超细氧化铝纤维在直通孔中横向排列形成垂直于陶瓷壁的纤维桥，纤维桥密度与纤维长径比和纤维引入量呈正相关。引入纤维的多孔陶瓷气孔率高（81%），密度低（lt;0.74g/cm3），力学性能的各向异性得到改善，过滤性能有大幅提升。从不同结构的多孔陶瓷的孔壁破坏行为的区别出发，对纤维增强机理进行分析。引入纤维对多孔陶瓷亚微米的焚香颗粒过滤效率的提升效果明显。PM0.3过滤效率可达94%，PM0.5过滤效率可达98%，并且在较高的气体流速下依然保持较低的过滤阻力。 定向冷冻是利用冰晶各向异性生长的推动力使氧化铝颗粒发生重排形成孔结构，这是一个缓慢的过程，人工引入第二相会破坏冰晶生长，影响最终的孔结构。为此探究了冷冻时效对定向冷冻多孔陶瓷结构和力学性能的影响，通过改变时效温度（-80℃,-40℃）和时效时间（0~60min），在纯颗粒体系以及纤维-颗粒体系通过定向冷冻浇注制备多孔氧化铝陶瓷。进行时效后，冰晶在持续的推动力下进行结构调整，并在15~20min后趋于稳定。冰晶对颗粒二次推动促进了陶瓷壁的致密化，在提高了多孔陶瓷抗压强度的同时使结构波长有不同程度的增大。
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