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《沈阳工业大学》 2012年
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新型氧化镁泡沫陶瓷材料的研制及应用研究

张文政  
【摘要】:泡沫陶瓷是一种具有三维多孔结构的特殊材料,同时保持了陶瓷自身的优良特性,使其在过滤液态金属领域具有明显的优势。采用聚氨酯有机泡沫浸渍法制备的、用于过滤镁液的MgO泡沫陶瓷过滤器,具有制备工艺简单、操作方法简便、原料成本低廉的优势,因此拥有广阔的应用前景。 镁合金具有高的比强度,比刚度和比弹性模量,以及阻尼抗震性好等优点,因此在交通运输、航空航天、电子通讯等领域应用广泛。然而,无论采用电解法还是采用还原法生产的纯镁中都含有多种夹杂物,这些夹杂物对材料的力学、耐腐蚀等性能有极大危害,需要进一步净化处理才能达到使用要求,因而阻碍了镁金属材料应用范围的拓展。同目前已系列化的Al_2O_3、ZrO_2、SiC、Si_3N_4等泡沫陶瓷相比,采用MgO泡沫陶瓷净化镁液具有除杂效率高、成本低、操作简便等优点,是一种很好的物理净化镁液的方法。它是利用机械过滤的方法,借助陶瓷网络自发吸附镁液中液态熔剂夹杂物和固态颗粒夹杂物,而其本身在镁液中保持化学性质稳定,不污染镁液,特别适合于镁液净化。但目前有关采用MgO泡沫陶瓷净化粗镁的系统性报导很少,因此,本课题旨在探寻适用于粗镁过滤净化的MgO泡沫陶瓷的制备方法及净化工艺,这对于提高镁金属的性能、拓展其应用领域显然具有重大的意义。我们围绕着上述目的,进行了一些探索工作,得出了以下结论: 由于制备泡沫陶瓷的原料MgO极易与分散介质水发生水化反应,生成密度更小的Mg(OH)_2,将其加热到350℃以上又会分解生成MgO,这一过程变化会产生体积收缩,由此产生的裂纹会导致制品物理性能恶化。因此我们采用添加抗水剂的方法对MgO粉体进行抗水化处理。研究发现:经硅烷偶联剂KH-550处理的MgO粉体,在25℃下水化180min之后,粉体的水化率从未处理时的54.36%下降到17%,说明硅烷偶联剂KH-550达到了部分抑制MgO水化的目的。我们还根据Arrhenius方程log(k_1/k_2)=E_a/R(1/t_1-1/t_2)计算出经抗水剂磷酸铵(AP)和硅烷偶联剂KH-550处理获得的两种改性MgO粉体的水化反应活化能,计算结果分别是Ea(AP)=78.95kJ/mol,Ea(KH-550)=81.17kJ/mol,根据Bebson的活化能判据可知MgO的这两种水化过程都是由化学反应控制,而非扩散过程控制,结果表明经KH-550处理的MgO粉体更难水化。 通过选用分散剂和进行颗粒级配的方法,我们获得了低粘度高固含量的MgO浆体。当聚羧酸盐型分散剂SN5040的添加量介于0.1-0.2%之间时,MgO浆料的厚化度和相对黏度分别介于1.024-1.034和1.058-1.083之间,MgO浆料的厚化度和相对黏度可以在该添加量范围内同时达到最佳值,这说明在相同固含量条件下,SN5040的分散性优于分散剂PAM和分散剂CMC-Na;采用双组分颗粒级配可以使MgO制品的抗弯强度和相对密度从未级配时的3.35MPa和0.42提高到5.12MPa和0.55,但采用三组分颗粒级配时抗弯强度和相对密度则又下降到4.78MPa和0.52。另外,有机泡沫前驱体经酚醛树脂乙醇溶液表面改性后,挂浆量更大且均匀,堵孔少,有机泡沫增重倍率从未处理之前的5倍提高到处理后的9倍;粉体颗粒在有机泡沫网络上粘附的更加牢固;处理后的有机泡沫耐高温性能更好,减少了素坯在烧结过程中的塌陷。我们还发现:通过向电熔MgO中添加烧结助剂MgF_2的方法可以使MgO的烧结温度从1500℃下降到1200℃左右,低温烧结而成的陶瓷制品尺寸稳定性更好。 通过对比粗镁的不同过滤方式,发现MgO泡沫陶瓷可有效的清除镁液中的MgO等夹杂物,对精炼剂的吸附是一个自发的过程,减少了熔剂夹杂。MgO泡沫陶瓷的孔径越小,清除镁液中夹杂物和熔剂的能力越强,所得镁金属中所含的杂质越少,晶粒生长的就更加均匀和完善。根据粗镁过滤体系的自身特点,建立了MgO泡沫陶瓷过滤净化粗镁液中夹杂物的过滤效率判别式,随着过滤的不断进行,泡沫陶瓷网络表面拦截夹杂物将不断增多,泡沫陶瓷的孔隙率和流经泡沫陶瓷网络的熔体速度都将下降,导致过滤效率下降。我们还推导了泡沫陶瓷网络表面夹杂物厚度增长方程,为确保浇铸过程顺利进行提供了一定的理论依据,为MgO泡沫陶瓷过滤粗镁的工业应用奠定了初步的理论基础。
【学位授予单位】:沈阳工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TQ174.6

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