D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.02.033 第29卷第2期 北京科技大学学报 Vol.29 No.2 2007年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2007 热处理温度对金属A!增韧氧化铝多孔陶瓷 支撑体断裂韧性的影响 李改叶漆虹范益群徐南平 南京工业大学化学化工学院，省部共建教有部材料化学工程重点实验室，南京210009 摘要采用干压成型法，通过添加适量的金属A1粉来增韧A1203多孔支撑体，详细考察了热处理温度对多孔A2O3/A!支撑 体力学性能的影响，并借助于扫描电子显微镜(SEM)分析了样品的微观结构·研究结果表明：当热处理温度较低时，支撑体内 部大量未氧化的铝相是支撑体断裂韧性提高的主要的原因：当热处理温度较高时，铝氧化产生体积膨胀，膨胀裂纹对支撑体 断裂韧性的提高贡献很大· 关键词多孔陶瓷膜；支撑体；金属铝：断裂韧性；干压成型 分类号TQ174.75 膜分离技术及其应用的发展，对膜提出了愈来 为孔的排列方式等也是影响支撑体断裂的主要因 愈高的要求，无机膜因具有耐腐蚀、耐高温、反复清 素，以上研究报道为高韧性多孔陶瓷支撑体的设计 洗性能不变等特性而越来越受到重视]，在食品、 提供了一定的理论指导，但是如何提高多孔材料断 生化制药、催化反应等领域中作为物料预处理和催 裂韧性的研究还未曾见报道，目前关于陶瓷增韧的 化剂载体有着广阔的应用前景，无机膜通常是一种 研究多集中在致密陶瓷材料中，常用的增韧方法有 非对称膜，真正起作用的是顶层分离薄膜，在实际 相变增韧门、颗粒增韧8]、添加延性相增韧9]等.其 应用中其强度主要由底层多孔支撑体提供，工业上 中加入第二相延性颗粒的增韧机理是由于裂纹尖端 用的支撑体通常是一种长径比30~50的“蜂窝状” 形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽，以及由延性 结构，在涂膜、膜组件组装和料液的分离过程中，要 颗粒形成的延性裂纹桥，本文借鉴金属延性相成功 求支撑体能够承受一定的外力作用，并能够抵抗料 增韧致密陶瓷的思想，添加适量的金属铝粉，考察不 液的循环冲击和冲刷，这就要求多孔陶瓷支撑体具 同热处理温度对多孔支撑体断裂韧性的影响， 有较高的韧性，从而提高无机膜的使用寿命，因此， 1实验过程 开展陶瓷支撑体的增韧性研究是非常重要的， 陶瓷支撑体是一种特殊结构的多孔陶瓷材料， 1.1原料 到目前为止，关于多孔陶瓷材料断裂韧性的研究报 采用激光粒径分析仪(Master Sizer2000, 道较少.2003年，日本学者Yoshihisa闺等人报道控 Malvern Instrument,Co,,UK)对实验所用原料粒 径进行表征，原料的性质和支撑体的粉体配比如 制合适的裂纹尺寸是设计高韧性多孔材料的关键. 表1所示， 2005年日本名古屋工学院陈春红等人报道了氧化 铝陶瓷支撑体的断裂韧性和显微结构的关系，认为 表】实验过程所用原料及实验方案 Table 1 Raw materials and the powder composition of macroporous 支撑体的断裂韧性随多孔陶瓷膜层数的增加而降 supports 低].同年，Chen6]等研究报道多孔陶瓷支撑体的 平均粒径， Az03质量 A!质量 断裂方式与添加的造孔剂量有很大的关系，并且认 原料名称 Dso/m 分数/% 分数/% 收稿日期：2006-10-01修回日期：2006-12-01 氧化铝 25 99.5 基金项目：国家重点基础研究发展计划(N0.2003CB615707):国家 金属铝 1.7 99.62 自然科学基金项目(No-20436030):江苏省高校自然科学研究计划 支撑体编号 A1 A2 A3 As (No.04KJB530043) A20s质量分数/% 96 9288 8480 作者简介：李改叶(1976一)，女，博士研究生：徐南平(1961一)，男， A1质量分数/% 12 1620 博士生导师，中国工程院院士
热处理温度对金属 Al 增韧氧化铝多孔陶瓷 支撑体断裂韧性的影响 李改叶 漆 虹 范益群 徐南平 南京工业大学化学化工学院省部共建教育部材料化学工程重点实验室南京210009 摘 要 采用干压成型法通过添加适量的金属 Al 粉来增韧 Al2O3 多孔支撑体详细考察了热处理温度对多孔 Al2O3／Al 支撑 体力学性能的影响并借助于扫描电子显微镜（SEM）分析了样品的微观结构．研究结果表明：当热处理温度较低时支撑体内 部大量未氧化的铝相是支撑体断裂韧性提高的主要的原因；当热处理温度较高时铝氧化产生体积膨胀膨胀裂纹对支撑体 断裂韧性的提高贡献很大． 关键词 多孔陶瓷膜；支撑体；金属铝；断裂韧性；干压成型 分类号 T Q174∙75 收稿日期：20061001 修回日期：20061201 基金项目：国家重点基础研究发展计划（No．2003CB615707）；国家 自然科学基金项目（No．20436030）；江苏省高校自然科学研究计划 （No．04KJB530043） 作者简介：李改叶（1976—）女博士研究生；徐南平（1961—）男 博士生导师中国工程院院士 膜分离技术及其应用的发展对膜提出了愈来 愈高的要求无机膜因具有耐腐蚀、耐高温、反复清 洗性能不变等特性而越来越受到重视［1—3］在食品、 生化制药、催化反应等领域中作为物料预处理和催 化剂载体有着广阔的应用前景．无机膜通常是一种 非对称膜真正起作用的是顶层分离薄膜在实际 应用中其强度主要由底层多孔支撑体提供．工业上 用的支撑体通常是一种长径比30～50的“蜂窝状” 结构在涂膜、膜组件组装和料液的分离过程中要 求支撑体能够承受一定的外力作用并能够抵抗料 液的循环冲击和冲刷这就要求多孔陶瓷支撑体具 有较高的韧性从而提高无机膜的使用寿命．因此 开展陶瓷支撑体的增韧性研究是非常重要的． 陶瓷支撑体是一种特殊结构的多孔陶瓷材料 到目前为止关于多孔陶瓷材料断裂韧性的研究报 道较少．2003年日本学者 Yoshihisa ［4］等人报道控 制合适的裂纹尺寸是设计高韧性多孔材料的关键． 2005年日本名古屋工学院陈春红等人报道了氧化 铝陶瓷支撑体的断裂韧性和显微结构的关系认为 支撑体的断裂韧性随多孔陶瓷膜层数的增加而降 低［5］．同年Chen ［6］等研究报道多孔陶瓷支撑体的 断裂方式与添加的造孔剂量有很大的关系并且认 为孔的排列方式等也是影响支撑体断裂的主要因 素．以上研究报道为高韧性多孔陶瓷支撑体的设计 提供了一定的理论指导但是如何提高多孔材料断 裂韧性的研究还未曾见报道．目前关于陶瓷增韧的 研究多集中在致密陶瓷材料中常用的增韧方法有 相变增韧［7］、颗粒增韧［8］、添加延性相增韧［9］等．其 中加入第二相延性颗粒的增韧机理是由于裂纹尖端 形成的塑性变形区导致裂纹尖端屏蔽以及由延性 颗粒形成的延性裂纹桥．本文借鉴金属延性相成功 增韧致密陶瓷的思想添加适量的金属铝粉考察不 同热处理温度对多孔支撑体断裂韧性的影响． 1 实验过程 1∙1 原料 采用 激 光 粒 径 分 析 仪 （ Master Sizer 2000 Malvern InstrumentCo．UK）对实验所用原料粒 径进行表征原料的性质和支撑体的粉体配比如 表1所示． 表1 实验过程所用原料及实验方案 Table1 Raw materials and the powder composition of macroporous supports 原料名称 平均粒径 D50／μm Al2O3 质量 分数／％ Al 质量 分数／％ 氧化铝 25 99∙5 — 金属铝 1∙7 — 99∙62 支撑体编号 A1 A2 A3 A4 A5 Al2O3 质量分数／％ 96 92 88 84 80 Al 质量分数／％ 4 8 12 16 20 第29卷 第2期 2007年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．2 Feb．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．02．033
,136 北京科技大学学报 第29卷 1.2支撑体的制备 韧性的峰值出现在16%的位置，而弯曲强度峰位出 按照表1所示的粉体配比，准确称量后装入尼 现在12%的位置，其他温度下，支撑体的弯曲强度 龙混料桶内，按球料质量比2：1添加刚玉球，在轻型 和断裂韧性的峰值出现在16%的位置.在陶瓷材料 球磨机（型号QMM/B,咸阳金宏通用机械有限公 的增韧性研究中，材料断裂韧性的提高通常以牺牲 司)上干混24h后过筛，得Al203/Al均质粉体.添 材料的弯曲强度为代价[10,800℃时，完全通过添加 加一定量的有机物，在粉晶压片机（型号769YP一 韧相来增韧就是如此、表2列出了金属铝粉质量分 24B,天津市科器高新技术公司)上压制30mm× 数为16%的支撑体在各个不同温度点热处理后的 2mm的片状支撑体和尺寸为50mmX6mmX6mm 性能参数， 的条状支撑体，将坯体放入高温电炉（型号SX214一 200 -◆一800℃量1000℃★-1200℃ 17,无锡环球炉业有限公司)中，分别在800,1000， 4一1400℃米-1500℃●-1600℃ 160 1200,1400,1500,1600℃进行热处理（升温速度为 3℃·min1,保温120min)后，随炉自然冷却至 室温， 80 1.3支撑体的表征 采用阿基米德法(GB1996一80)测定多孔支撑 40- 体的孔隙率和体积密度；采用三点弯曲法 (GB1965-80)在拉力试验机（型号CMT6203)上对 12 16 20 支撑体的弯曲强度进行表征，支点跨距为40mm,加 1(AI)/% 载速率为0.5 mmmin一；采用单边直通切口梁法测 图2不同温度下支撑体弯曲强度与铝加入量的关系 定其断裂韧性，加载速率为0.05 mm'min1. Fig-2 Relationship between the bending strength and Al powder content of supports calcined at different temperatures 2结果与讨论 表2添加16%A1粉的支撑体不同温度热处理后的基本性能 结合图1和图2可以看出，1600℃热处理后， Table 2 Properties of supports calcined at different temperatures by 支撑体的断裂韧性和弯曲强度分别达到最大，当热 doping 16%Al powder 处理温度低于1200℃时，支撑体的断裂韧性和弯曲 热处理 体积密度/ 孔隙率/ 平均孔 强度随金属铝加入量的增加呈先增加后变化不大的 温度/℃ (g'cm-3) % 径/m 趋势：当热处理温度高于1200℃时，支撑体的弯曲 800 2.48 31.2 强度随金属铝加入量的增加呈先增加后降低的趋 1000 2.63 25.4 0.48 势.不同的是，800℃热处理后支撑体的断裂韧性最 1200 2.59 34.4 0.54 大值出现在金属铝粉加入量为12%的位置，而弯曲 1400 2.63 31.7 1.87 强度的最大值出现在16%的位置，两者的峰位出现 1500 2.65 35.4 1.88 滞后现象.同样，1400℃热处理后支撑体的弯曲强 1600 2.79 29.7 1.94 度和断裂韧性最大值的峰位也出现滞后现象，断裂 3.2 从表2可以看出，当金属铝加入量为16%不变 ◆一800℃■-1000℃=★一1200℃ 2.8 X-1400℃米-1500℃一◆-1600℃ 时，不同温度热处理后的支撑体的孔隙率几乎都在 2.4 30%左右，支撑体的孔径大小随着热处理温度的增 2.0 加而增加. 1.6 为了更好地比较热处理温度对支撑体力学性能 1.2h 0.8 的影响，将图1和图2的结果转化为支撑体的力学 0.4 性能与热处理温度之间的关系，见图3和图4所示， 00 1216 4 结合两图可以看出，800~1200℃温度范围内，支撑 UAIV% 体断裂韧性和弯曲强度几乎保持不变；1200~ 图1不同温度下支撑体断裂韧性与铝加入量的关系 1600℃温度范围内，支撑体的断裂韧性和弯曲强度 Fig-1 Relationship between the fracture toughness and Al powder 随着温度的升高而增加，所不同的是，当金属铝加 content of supports calcined at different temperatures 入量为12%时，支撑体的断裂韧性随着温度的增加
1∙2 支撑体的制备 按照表1所示的粉体配比准确称量后装入尼 龙混料桶内按球料质量比2∶1添加刚玉球在轻型 球磨机（型号 QMM／B咸阳金宏通用机械有限公 司）上干混24h 后过筛得 Al2O3／Al 均质粉体．添 加一定量的有机物在粉晶压片机（型号769YP— 24B天津市科器高新技术公司）上压制●30mm× 2mm的片状支撑体和尺寸为50mm×6mm×6mm 的条状支撑体将坯体放入高温电炉（型号 SX2—14— 17无锡环球炉业有限公司）中分别在8001000 1200140015001600℃进行热处理（升温速度为 3℃·min —1保温 120min） 后随炉自然冷却至 室温． 1∙3 支撑体的表征 采用阿基米德法（GB1996—80）测定多孔支撑 体 的 孔 隙 率 和 体 积 密 度；采 用 三 点 弯 曲 法 （GB1965—80）在拉力试验机（型号 CMT6203）上对 支撑体的弯曲强度进行表征支点跨距为40mm加 载速率为0∙5mm·min —1 ；采用单边直通切口梁法测 定其断裂韧性加载速率为0∙05mm·min —1． 图1 不同温度下支撑体断裂韧性与铝加入量的关系 Fig．1 Relationship between the fracture toughness and Al powder content of supports calcined at different temperatures 2 结果与讨论 结合图1和图2可以看出1600℃热处理后 支撑体的断裂韧性和弯曲强度分别达到最大．当热 处理温度低于1200℃时支撑体的断裂韧性和弯曲 强度随金属铝加入量的增加呈先增加后变化不大的 趋势；当热处理温度高于1200℃时支撑体的弯曲 强度随金属铝加入量的增加呈先增加后降低的趋 势．不同的是800℃热处理后支撑体的断裂韧性最 大值出现在金属铝粉加入量为12％的位置而弯曲 强度的最大值出现在16％的位置两者的峰位出现 滞后现象．同样1400℃热处理后支撑体的弯曲强 度和断裂韧性最大值的峰位也出现滞后现象断裂 韧性的峰值出现在16％的位置而弯曲强度峰位出 现在12％的位置其他温度下支撑体的弯曲强度 和断裂韧性的峰值出现在16％的位置．在陶瓷材料 的增韧性研究中材料断裂韧性的提高通常以牺牲 材料的弯曲强度为代价［10］800℃时完全通过添加 韧相来增韧就是如此．表2列出了金属铝粉质量分 数为16％的支撑体在各个不同温度点热处理后的 性能参数． 图2 不同温度下支撑体弯曲强度与铝加入量的关系 Fig．2 Relationship between the bending strength and Al powder content of supports calcined at different temperatures 表2 添加16％Al 粉的支撑体不同温度热处理后的基本性能 Table2 Properties of supports calcined at different temperatures by doping16％ Al powder 热处理 温度／℃ 体积密度／ （g·cm —3） 孔隙率／ ％ 平均孔 径／μm 800 2∙48 31∙2 — 1000 2∙63 25∙4 0∙48 1200 2∙59 34∙4 0∙54 1400 2∙63 31∙7 1∙87 1500 2∙65 35∙4 1∙88 1600 2∙79 29∙7 1∙94 从表2可以看出当金属铝加入量为16％不变 时不同温度热处理后的支撑体的孔隙率几乎都在 30％左右支撑体的孔径大小随着热处理温度的增 加而增加． 为了更好地比较热处理温度对支撑体力学性能 的影响将图1和图2的结果转化为支撑体的力学 性能与热处理温度之间的关系见图3和图4所示． 结合两图可以看出800～1200℃温度范围内支撑 体断裂韧性和弯曲强度几乎保持不变；1200～ 1600℃温度范围内支撑体的断裂韧性和弯曲强度 随着温度的升高而增加．所不同的是当金属铝加 入量为12％时支撑体的断裂韧性随着温度的增加 ·136· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第2期 李改叶等：热处理温度对金属山增韧氧化铝多孔陶瓷支撑体断裂韧性的影响 137 先降低后增加，1000℃热处理后支撑体的断裂韧性 铝薄膜，内部的金属铝由于受到表面氧化铝膜的阻 最低，并且800℃热处理后的支撑体的断裂韧性高 止被保护起来，温度继续升高，氧化铝膜受热膨胀产 于1600℃热处理后的支撑体的断裂韧性.可见，热 生裂纹，内部的金属铝液不断从膨胀的裂纹中向外 处理温度为800℃和1600℃是获得高韧性支撑体 渗出而进一步被氧化，同时封闭膨胀的裂纹，金属铝 的合适的热处理温度；同时，添加12%的金属铝粉 又被包裹在氧化铝薄膜的内部，如此循环直至金属 是800℃金属铝韧性相增韧氧化铝多孔支撑体断裂 铝氧化完全，实际上，金属铝在多孔支撑体内部可 韧性一个合适的配比，加16%的金属铝粉是 以理解为有两个过程发生：一是金属铝不断熔融成 1600℃金属铝韧性相增韧氧化铝多孔支撑体断裂 液相的物理过程，一是金属铝缓慢氧化成氧化铝的 韧性一个合适的配比，其断裂韧性分别为1.8和 化学过程，在第一个过程中，熔融态金属铝的不断 2.0 MPam1/2 填充由骨料氧化铝所形成的原始堆积孔中，使支撑 2.7 体的孔隙率降低；第二个过程中，金属铝不断氧化成 2.4 ◆一4% 一■一8% ★12% 氧化铝，这个过程产生约24%的体积膨胀，使骨料 2.1 X一16% 米一20% 1.8 氧化铝所形成的原始堆积孔增大，从而使支撑体的 1.5 孔隙率升高，最终支撑体孔隙率的大小是由这两个 0.9 过程共同作用的结果 0.6 800℃时，熔融的金属相对支撑体断裂韧性的 0.3 提高贡献很大.当热处理温度升高到1200℃时，金 1000 12001400 1600 热处理温度℃ 属铝熔融和氧化同时进行，金属氧化膨胀产生裂纹， 随着未氧化的金属铝相减少，在裂纹和孔隙部位填 图3不同山含量支撑体断裂韧性与热处理温度之间的关系 充熔融的液相量先增加后降低最后至动态平衡，文 Fig-3 Relationship between fracture toughness and calcining tem- 献报道山，在熔融金属A1相所填充的孔的地方，体 peratures with different w(Al) 积膨胀所产生微裂纹的孕育和扩展是同时发生的， 160 微裂纹的存在对支撑体断裂韧性的提高贡献很大， 140 ◆一4% ■一8% ★一12% 120 一16% 熔融金属相的减少并没有使支撑体的韧性大幅度降 米一20% 100 低.在热处理温度提高到1400℃的过程中，金属铝 80 氧化完全，产生体积膨胀，因膨胀而产生的裂纹使支 60 撑体的断裂韧性大大提高[山，同时晶粒也开始发育 40 长大，如图5所示，支撑体的断裂韧性和弯曲强度都 20◆ 0 大大提高.1600℃时，金属铝相氧化完全，同时在支 800 100012001400 1600 热处理温度/℃ 撑体内部原位生成的氧化铝颗粒对支撑体的强度提 高贡献很大，如图6所示.但是因大量铝氧化膨胀 图4不同山含量支撑体的弯曲强度与热处理温度之间的关系 而产生的裂纹的桥联（图中箭头所示），使支撑体断 Fig.4 Relationship between bend strength and calcining tempera- 裂韧性大大降低 tures with different w(Al) 不同温度热处理后的支撑体的弯曲强度随热处 理温度的变化趋势和断裂韧性与温度变化趋势大致 相同，从图4中可以看出，当热处理温度从800℃ 升高到1200℃时，支撑体的弯曲强度变化不大，当 热处理温度从1200℃升高到1600℃时，支撑体的 弯曲强度大大提高，尤其当热处理高于1400℃以 上，支撑体的弯曲强度都高于40MPa,1600℃时最 高达140MPa 在热处理过程中，添加的铝粉首先熔融呈液相 (铝的熔点为660℃)，当热处理温度超过1100℃ 图51400℃铝质量分数为16%的支撑体SEM照片 后，金属铝开始慢慢氧化，铝液表面首先氧化成氧化 Fig-5 SEM of support calcined at 1 400C with 16%Al powder
先降低后增加1000℃热处理后支撑体的断裂韧性 最低并且800℃热处理后的支撑体的断裂韧性高 于1600℃热处理后的支撑体的断裂韧性．可见热 处理温度为800℃和1600℃是获得高韧性支撑体 的合适的热处理温度；同时添加12％的金属铝粉 是800℃金属铝韧性相增韧氧化铝多孔支撑体断裂 韧性 一 个 合 适 的 配 比加 16％ 的 金 属 铝 粉 是 1600℃金属铝韧性相增韧氧化铝多孔支撑体断裂 韧性一个合适的配比其断裂韧性分别为1∙8和 2∙0MPa·m 1／2． 图3 不同 Al 含量支撑体断裂韧性与热处理温度之间的关系 Fig．3 Relationship between fracture toughness and calcining temperatures with different w（Al） 图4 不同 Al 含量支撑体的弯曲强度与热处理温度之间的关系 Fig．4 Relationship between bend strength and calcining temperatures with different w（Al） 不同温度热处理后的支撑体的弯曲强度随热处 理温度的变化趋势和断裂韧性与温度变化趋势大致 相同．从图4中可以看出当热处理温度从800℃ 升高到1200℃时支撑体的弯曲强度变化不大当 热处理温度从1200℃升高到1600℃时支撑体的 弯曲强度大大提高．尤其当热处理高于1400℃以 上支撑体的弯曲强度都高于40MPa1600℃时最 高达140MPa． 在热处理过程中添加的铝粉首先熔融呈液相 （铝的熔点为660℃）当热处理温度超过1100℃ 后金属铝开始慢慢氧化铝液表面首先氧化成氧化 铝薄膜内部的金属铝由于受到表面氧化铝膜的阻 止被保护起来温度继续升高氧化铝膜受热膨胀产 生裂纹内部的金属铝液不断从膨胀的裂纹中向外 渗出而进一步被氧化同时封闭膨胀的裂纹金属铝 又被包裹在氧化铝薄膜的内部如此循环直至金属 铝氧化完全．实际上金属铝在多孔支撑体内部可 以理解为有两个过程发生：一是金属铝不断熔融成 液相的物理过程一是金属铝缓慢氧化成氧化铝的 化学过程．在第一个过程中熔融态金属铝的不断 填充由骨料氧化铝所形成的原始堆积孔中使支撑 体的孔隙率降低；第二个过程中金属铝不断氧化成 氧化铝这个过程产生约24％的体积膨胀使骨料 氧化铝所形成的原始堆积孔增大从而使支撑体的 孔隙率升高最终支撑体孔隙率的大小是由这两个 过程共同作用的结果． 图5 1400℃铝质量分数为16％的支撑体 SEM 照片 Fig．5 SEM of support calcined at1400℃ with16％ Al powder 800℃时熔融的金属相对支撑体断裂韧性的 提高贡献很大．当热处理温度升高到1200℃时金 属铝熔融和氧化同时进行金属氧化膨胀产生裂纹 随着未氧化的金属铝相减少在裂纹和孔隙部位填 充熔融的液相量先增加后降低最后至动态平衡文 献报道［11］在熔融金属 Al 相所填充的孔的地方体 积膨胀所产生微裂纹的孕育和扩展是同时发生的 微裂纹的存在对支撑体断裂韧性的提高贡献很大 熔融金属相的减少并没有使支撑体的韧性大幅度降 低．在热处理温度提高到1400℃的过程中金属铝 氧化完全产生体积膨胀因膨胀而产生的裂纹使支 撑体的断裂韧性大大提高［11］同时晶粒也开始发育 长大如图5所示支撑体的断裂韧性和弯曲强度都 大大提高．1600℃时金属铝相氧化完全同时在支 撑体内部原位生成的氧化铝颗粒对支撑体的强度提 高贡献很大如图6所示．但是因大量铝氧化膨胀 而产生的裂纹的桥联（图中箭头所示）使支撑体断 裂韧性大大降低． 第2期 李改叶等： 热处理温度对金属 Al 增韧氧化铝多孔陶瓷支撑体断裂韧性的影响 ·137·
.138 北京科技大学学报 第29卷 参考文献 [1]李湘洲.多孔陶瓷及其在治金工业中的应用.金属世界，2005 (3):50 [2]朱新文，江东亮，谭寿洪，多孔陶瓷的制备、性能及应用.陶瓷 学报，2003,24(2)：85 [3]钱军民，崔凯，艾好，等.多孔陶瓷制备技术研究进展。兵器材 料科学与工程，2005,28(5)：60 [4]Yoshihisa S,Keisuke T.Evaluation of fracture toughness of porous ceramics.Int J.2003,46(1):30 [5]Chen C H.Takita K,Honda S,et al.Fracture behavior of cylin- drical porous alumina with pore gradient.J Eur Ceram Soc. 图61600℃铝质量分数为16%的支撑体SEM照片 2005,25(4):385 Fig-6 SEM of support calcined at 1600C with 16%Al powder [6]Chen C H.Saw ao H,Hideo A.Fracture behavior and microstruc ture of the porous alumina tube.Ceram Eng Sci Proc,2005.26 (8):61 3结论 [7]Sig S L.Mataga P A.Dalgleish B J.et al.On the Toughness of (1)热处理温度对金属AI增韧氧化铝多孔陶 brittle materials with a ductile phase.Acta Metall Mater.1988. 36(4):945 瓷支撑体的断裂韧性影响很大，当热处理温度为 [8]郝春成，崔作林，尹衍升，等.颗粒增韧陶瓷的研究进展.材 800℃，金属韧性相对支撑体断裂韧性的提高贡献 料导报.2002,16(2)：28 很大；当热处理温度高于1200℃时，铝因氧化膨胀 [9]Flinn B.Ruhle M,Evans A G.Toughening in composites of 而产生微裂纹对支撑体的断裂韧性提高也有一定的 Al2O3 reinforced with Al.Acta Metall.1989.37(4):3001 [10]Peng L M.Cao J W.Noda K.et al.Mechanical properties of 作用， ceramic metal composites by pressure infiltration of metal into (2)1600℃热处理后的支撑体性能最好，当金 porous ceramics.Mater Sci Eng A.1995.374(1/2):1 属铝质量分数为16%时，支撑体的断裂韧性和弯曲 [11]Priellip H.Knechtel M,Claussen N,et al.Strength and frac 强度分别为2.0MPam/和137MPa ture toughness of aluminum/alumina composites with interpene- trating networks.Mater Sci Eng A.1995,197(1):19 Effects of heating temperature on the fracture toughness of macroporous alumina supports added Al powder LI Gaiye,QI Hong,FAN Yiqun,XU Nanping Membrane Science Technology Research Center,Key Laboratory of Materialoriented Chemical Engineering of Jiangsu Province,Nanjing University of Technology Nanjing 210009.China ABSTRACI An amount of Al powder was added to toughen Al2O3 porous supports by dry press forming. Based on the toughening mechanism of Al2O3/Al composite,the effects of heating temperature on the fracture toughness and bending strength of macroporous Al2O3/Al supports were investigated in detail,and the mi- crostructure of specimens made of the supports was analyzed by SEM.The results show that the fracture tough- ness of the supports is influenced by calcining temperature.When the calcining temperature is low,unoxidized Al phase can absorb amount of fracture energy to make the fracture toughness of the supports high.But when the temperature is above 1200C,the cracks which is occurred in the oxidation processing of Al phase can im- prove the fracture toughness of the supports,and the contribution of cracks is more important than the amount of Al phase to the fracture toughness of supports. KEY WORDS porous ceramic membrane;supports;metal Al;fracture toughness:dry press forming
图6 1600℃铝质量分数为16％的支撑体 SEM 照片 Fig．6 SEM of support calcined at1600℃ with16％ Al powder 3 结论 （1） 热处理温度对金属 Al 增韧氧化铝多孔陶 瓷支撑体的断裂韧性影响很大当热处理温度为 800℃金属韧性相对支撑体断裂韧性的提高贡献 很大；当热处理温度高于1200℃时铝因氧化膨胀 而产生微裂纹对支撑体的断裂韧性提高也有一定的 作用． （2）1600℃热处理后的支撑体性能最好当金 属铝质量分数为16％时支撑体的断裂韧性和弯曲 强度分别为2∙0MPa·m 1／2和137MPa． 参 考 文 献 ［1］ 李湘洲．多孔陶瓷及其在冶金工业中的应用．金属世界2005 （3）：50 ［2］ 朱新文江东亮谭寿洪．多孔陶瓷的制备、性能及应用．陶瓷 学报200324（2）：85 ［3］ 钱军民崔凯艾好等．多孔陶瓷制备技术研究进展．兵器材 料科学与工程200528（5）：60 ［4］ Yoshihisa SKeisuke T．Evaluation of fracture toughness of porous ceramics．Int J200346（1）：30 ［5］ Chen C HTakita KHonda Set al．Fracture behavior of cylindrical porous alumina with pore gradient．J Eur Ceram Soc 200525（4）：385 ［6］ Chen C HSawao HHideo A．Fracture behavior and microstructure of the porous alumina tube．Ceram Eng Sci Proc200526 （8）：61 ［7］ Sig S LMataga P ADalgleish B Jet al．On the Toughness of brittle materials with a ductile phase．Acta Metall Mater1988 36（4）：945 ［8］ 郝春成崔作林尹衍升等．颗粒增韧陶瓷的研究进展．材 料导报200216（2）：28 ［9］ Flinn BRuhle MEvans A G．Toughening in composites of Al2O3reinforced with Al．Acta Metall198937（4）：3001 ［10］ Peng L MCao J WNoda Ket al．Mechanical properties of ceramic-metal composites by pressure infiltration of metal into porous ceramics．Mater Sci Eng A1995374（1／2）：1 ［11］ Priellip HKnechtel MClaussen Net al．Strength and fracture toughness of aluminum／alumina composites with interpenetrating networks．Mater Sci Eng A1995197（1）：19 Effects of heating temperature on the fracture toughness of macroporous alumina supports added Al powder LI GaiyeQI HongFA N Y iqunXU Nanping Membrane Science ＆ Technology Research CenterKey Laboratory of Materia-l oriented Chemical Engineering of Jiangsu ProvinceNanjing University of TechnologyNanjing210009China ABSTRACT An amount of Al powder was added to toughen Al2O3 porous supports by dry press forming． Based on the toughening mechanism of Al2O3／Al compositethe effects of heating temperature on the fracture toughness and bending strength of macroporous Al2O3／Al supports were investigated in detailand the microstructure of specimens made of the supports was analyzed by SEM．The results show that the fracture toughness of the supports is influenced by calcining temperature．When the calcining temperature is lowunoxidized Al phase can absorb amount of fracture energy to make the fracture toughness of the supports high．But when the temperature is above1200℃the cracks which is occurred in the oxidation processing of Al phase can improve the fracture toughness of the supportsand the contribution of cracks is more important than the amount of Al phase to the fracture toughness of supports． KEY WORDS porous ceramic membrane；supports；metal Al；fracture toughness；dry press forming ·138· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷