第25卷第8期 陈以心,等:多孔SC陶瓷的研究进展 域的应用进行总结。最后,展望多孔SiC陶瓷的发展孔隙直径小于2nm的为微孔材料,孔隙尺寸在2~50 方向。 nm之间的为介孔材料,尺寸大于20nm的为宏孔材 料。受孔径及分布影响较大的性能包括透过性、渗 多孔SiC陶瓷的性质与表征 透速率和过滤性能。多孔陶瓷材料的孔径指材料中 孔隙的名义直径,其测试方法包括断面直接观测法、 气泡法、透过法、压汞法和气体吸附法等。这些测试 1.1多孔SiC陶瓷的孔隙性质 方法的适用条件各不相同,其结果也存在一定差异。 1.1.1多孔SC陶瓷的孔率 因此,在实际操作过程中,通常选择与多孔陶瓷服役 多孔材料的孔率(又称孔隙率或孔隙度),是指多条件相似的测试手段对其孔径及孔径分布进行检 孔材料中孔隙所占体积与多孔材料总体积的百分比。测1。不同制备方法得到的多孔SiC陶瓷的孔径范围 多孔材料中孔隙包括开口孔、半开孔和闭合孔3种,如表1所列。通过压汞法测得一种高温过滤支撑用多 通常所指的孔率为3种孔率的总和山。研究表明 孔SiC陶瓷孔径分布如图1所示。 孔材料的性能主要取决于孔率,其影响权重超出其他 所有影响因素。常用的孔率测定方法包括显微分析 法、直接称重体积计算法、浸泡介质法和压汞法等 直接称重体积计算法要求样品几何形状规则。浸泡介 质法又称阿基米德法,其操作简单,常用于仅需测量 0.10 孔率的场合。压汞法测试结果稳定性良好,可测定孔 .08 率、孔径、孔径分布和比表面积,在多孔材料孔隙性 Ee 能的综合检测中常被采用。多孔SC陶瓷的孔率范 围广,可通过制备方法的选择控制在1%97%之间, 如表1所列38-212 表1不同方法制备的多孔SC陶瓷的孔率及孔径821 Pore diameter/um Table1 Porosity and pore size of porous SiC ceramics图1一种高温过滤支撑用多孔SiC陶瓷的孔径分布 prepared by different methods, 8-211 Fig. 1 Pore size distribution of porous SiC ceramic used for Processing method Porosity Pore size References high temperature filtration supporter O) Partial sintering 1%-65% 1-10 um [8-11 1.2多孔SiC陶瓷的力学性能 Sacrificial template 15%-88% 1-700 um [15-17 多孔SiC陶瓷材料脆性大,通常使用弯曲强度或 Direct foaming 40%-91%5um-10 mm [8-21] 压缩强度表征其力学性能。孔率及制备方式对多孔 SiC陶瓷力学性能影响较大。当孔率较低时,多孔SiC 1.1.2多孔SiC陶瓷的孔隙形貌 陶瓷的弯曲强度可达185MPa25,压缩强度可达513 MPa26。RCE等1假设多孔材料中孔隙尺寸相同且 孔隙形貌是指多孔陶瓷中孔隙的形态。当孔隙为 以特定的堆垛方式均匀分布,认为多孔材料的强度与 等轴孔隙时,材料整体性能呈各向同性;但当孔隙为 孔隙率存在如下关系 条状或扁平状时,如通过碳化后的木材经由渗硅反应 烧结制备的多孔SC陶瓷,其孔隙结构呈一定的方向=oexp(-bP) 性2。朱新文等将具有孤立孔隙结构的多孔SC陶式中:σ为多孔材料的强度:σ。为对应致密材料的强 瓷称为泡沫SC陶瓷,将具有开孔三维网状骨架结构度:;P为孔隙率;b为与孔隙堆垛方式相关的常数。 的多孔SC陶瓷称为网眼S陶瓷。对多孔SC陶瓷对于多孔SC陶瓷而言,不同的制备方式导致b值在 的孔隙形貌进行观察时,常取不同方向的样品,采用3-16之间波动232。这说明实际情况与RICE等12 光学显微镜或电子显微镜直接观测。 的理想模型存在偏差,偏差产生的主要原因有以下几 1.1.3多孔SiC陶瓷的孔径及分布 根据孔隙尺寸的大小,多孔陶瓷材料可分为3类 1)模型假设所有孔隙尺寸相同,但实际上大多数第 25 卷第 8 期 陈以心，等：多孔 SiC 陶瓷的研究进展 2147 域的应用进行总结。最后，展望多孔 SiC 陶瓷的发展 方向。 1 多孔 SiC 陶瓷的性质与表征 1.1 多孔 SiC 陶瓷的孔隙性质 1.1.1 多孔 SiC 陶瓷的孔率 多孔材料的孔率(又称孔隙率或孔隙度)，是指多 孔材料中孔隙所占体积与多孔材料总体积的百分比。 多孔材料中孔隙包括开口孔、半开孔和闭合孔 3 种， 通常所指的孔率为 3 种孔率的总和[1]。研究表明，多 孔材料的性能主要取决于孔率，其影响权重超出其他 所有影响因素[7]。常用的孔率测定方法包括显微分析 法、直接称重体积计算法、浸泡介质法和压汞法等。 直接称重体积计算法要求样品几何形状规则。浸泡介 质法又称阿基米德法，其操作简单，常用于仅需测量 孔率的场合。压汞法测试结果稳定性良好，可测定孔 率、孔径、孔径分布和比表面积，在多孔材料孔隙性 能的综合检测中常被采用[1]。多孔 SiC 陶瓷的孔率范 围广，可通过制备方法的选择控制在 1%~97%之间， 如表 1 所列[3, 8−21]。 表 1 不同方法制备的多孔 SiC 陶瓷的孔率及孔径[3, 8−21] Table 1 Porosity and pore size of porous SiC ceramics prepared by different methods[3, 8−21] Processing method Porosity Pore size References Partial sintering 1%−65% 1−10 μm [8−11] Replica 43%−97% 1−5 mm [12−14] Sacrificial template 15%−88% 1−700 μm [15−17] Direct foaming 40%−91% 5 μm−10 mm [18−21] 1.1.2 多孔 SiC 陶瓷的孔隙形貌 孔隙形貌是指多孔陶瓷中孔隙的形态。当孔隙为 等轴孔隙时，材料整体性能呈各向同性；但当孔隙为 条状或扁平状时，如通过碳化后的木材经由渗硅反应 烧结制备的多孔 SiC 陶瓷，其孔隙结构呈一定的方向 性[22]。朱新文等[23]将具有孤立孔隙结构的多孔 SiC 陶 瓷称为泡沫 SiC 陶瓷，将具有开孔三维网状骨架结构 的多孔 SiC 陶瓷称为网眼 SiC 陶瓷。对多孔 SiC 陶瓷 的孔隙形貌进行观察时，常取不同方向的样品，采用 光学显微镜或电子显微镜直接观测。 1.1.3 多孔 SiC 陶瓷的孔径及分布 根据孔隙尺寸的大小，多孔陶瓷材料可分为 3 类： 孔隙直径小于 2 nm 的为微孔材料，孔隙尺寸在 2~50 nm 之间的为介孔材料，尺寸大于 20 nm 的为宏孔材 料[1]。受孔径及分布影响较大的性能包括透过性、渗 透速率和过滤性能[7]。多孔陶瓷材料的孔径指材料中 孔隙的名义直径，其测试方法包括断面直接观测法、 气泡法、透过法、压汞法和气体吸附法等。这些测试 方法的适用条件各不相同，其结果也存在一定差异。 因此，在实际操作过程中，通常选择与多孔陶瓷服役 条件相似的测试手段对其孔径及孔径分布进行检 测[24]。不同制备方法得到的多孔 SiC 陶瓷的孔径范围 如表 1 所列。通过压汞法测得一种高温过滤支撑用多 孔 SiC 陶瓷孔径分布如图 1 所示[10]。 图 1 一种高温过滤支撑用多孔 SiC 陶瓷的孔径分布[10] Fig. 1 Pore size distribution of porous SiC ceramic used for high temperature filtration supporter[10] 1.2 多孔 SiC 陶瓷的力学性能 多孔 SiC 陶瓷材料脆性大，通常使用弯曲强度或 压缩强度表征其力学性能。孔率及制备方式对多孔 SiC 陶瓷力学性能影响较大。当孔率较低时，多孔 SiC 陶瓷的弯曲强度可达 185 MPa[25]，压缩强度可达 513 MPa[26]。RICE 等[27]假设多孔材料中孔隙尺寸相同且 以特定的堆垛方式均匀分布，认为多孔材料的强度与 孔隙率存在如下关系： )exp( σ =σ o −bP (1) 式中：σ 为多孔材料的强度；σ o 为对应致密材料的强 度；P 为孔隙率；b 为与孔隙堆垛方式相关的常数。 对于多孔 SiC 陶瓷而言，不同的制备方式导致 b 值在 3~16 之间波动[25−26]。这说明实际情况与 RICE 等[27] 的理想模型存在偏差，偏差产生的主要原因有以下几 点[3]： 1) 模型假设所有孔隙尺寸相同，但实际上大多数