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 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 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