鈦酸鋁

鈦酸鋁具有優(yōu)良的耐高溫、低膨脹、抗熱震性和耐蝕性，是作為高溫?zé)煔膺^濾、機(jī)動車尾氣凈化用多孔支撐體的理想材料。但其存在燒結(jié)強(qiáng)度低、易分解兩大缺陷，嚴(yán)重影響實(shí)際應(yīng)用。研究表明莫來石與其具有良好的相容性，能起到一定的增強(qiáng)和穩(wěn)定作用，加之莫來石晶須在材料強(qiáng)韌化方面的優(yōu)異表現(xiàn)，通過孔內(nèi)原位生成莫來石棒晶有望提高其多孔材料穩(wěn)定性及抗壓強(qiáng)度。因此，本項(xiàng)目提出采用反應(yīng)燒結(jié)法孔內(nèi)原位合成大尺寸莫來石棒晶增強(qiáng)鈦酸鋁多孔支撐體，利用莫來石與Fe2O3協(xié)同作用提高其熱穩(wěn)性。通過對合成過程中材料微觀結(jié)構(gòu)及抗壓強(qiáng)度與其熱力學(xué)、動力學(xué)影響因素之間關(guān)系研究，揭示棒晶在鈦酸鋁基體中的生長機(jī)制和強(qiáng)化機(jī)理，得到具有貫穿棒晶強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)的莫來石棒晶增強(qiáng)穩(wěn)定鈦酸鋁多孔材料；選擇合適原料組成、成型工藝，研究素坯及燒結(jié)過程中材料微觀結(jié)構(gòu)和組成變化，揭示成孔機(jī)理，得到孔隙率高、孔徑分布合理的多孔支撐體，為其實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展、工業(yè)化進(jìn)程的加快，以資源、能源消耗性為主的重工業(yè)（電力、建材、冶金、化工、汽車等）得到迅速發(fā)展，由此導(dǎo)致的環(huán)境污染問題凸顯。大量工業(yè)三廢排放，尤其是工業(yè)高溫?zé)煔庖约皺C(jī)動車尾氣、粉塵顆粒的排放已成為城市污染的罪魁禍?zhǔn)?。因此，開展高溫?zé)煔膺^濾、機(jī)動車尾氣凈化處理的研究，減少固體顆粒的排放成為節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)工程中的重要工作。 鈦酸鋁具有優(yōu)良的耐高溫、低膨脹、抗熱震性和耐蝕性，是作為高溫?zé)煔膺^濾、機(jī)動車尾氣凈化用多孔支撐體的理想材料。但其存在燒結(jié)強(qiáng)度低、易分解兩大缺陷，嚴(yán)重影響實(shí)際應(yīng)用。因此，本研究從鈦酸鋁兩大主要缺陷入手，首先研究鈦酸鋁的熱穩(wěn)定性，通過氧化鐵和莫來石的添加以期改善其熱穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧化鐵的添加，通過形成Fe2TiO5與Al2TiO5固溶體，可以明顯改善其熱穩(wěn)性，當(dāng)氧化鐵添加量達(dá)到20%的時(shí)候，生成鈦酸鋁相在1100℃保溫120h未見分解，而單純莫來石相的添加對穩(wěn)定性影響非常小。在此基礎(chǔ)上，研究了氧化鐵穩(wěn)定的莫來石棒晶增強(qiáng)的鈦酸鋁的制備，首先從莫來石晶須的生長發(fā)現(xiàn)，原料粉體中鋁源AlOOH與Al(OH)3比惰性的氧化鋁更有利于晶須的形成，并且晶須尺寸隨著成型壓力的升高，晶須徑向增大，長徑比明顯減小，由晶須向棒晶變化，在成型壓力為78MPa時(shí)，晶須直徑為0.5-1μm，長10-20μm，由晶須微觀形貌分析，主要為固氣生長機(jī)制。因此，莫來石中鋁源由AlOOH引入，隨著莫來石成分含量的增加，氣孔率先降低，在20%時(shí)達(dá)到最低，之后隨著莫來石含量增加氣孔率增加，在莫來石含量達(dá)到50%時(shí)，氣孔率約為40%，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度分別為50MPa和15MPa，由微觀結(jié)構(gòu)分析可知，通過孔洞中棒晶的支撐作用，以及孔壁的橋聯(lián)作用，可以顯著提高多孔支撐體的強(qiáng)度。多孔支撐體孔徑分布為雙峰分布，分別在0.5-1μm和20μm，基本滿足高溫?zé)煔膺^濾的需求。此外，為了進(jìn)一步改善多孔支撐體的強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)還研究了氧化鋁片晶對鈦酸鋁-莫來石多孔支撐體的增強(qiáng)作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化鋁片晶添加量為10wt.%時(shí)，得到多孔支撐體的氣孔率為47.2%，抗壓強(qiáng)度為138.1MPa，抗折強(qiáng)度為40.3MPa。從上述研究，較好的改善了鈦酸鋁多孔支撐體的熱穩(wěn)性及強(qiáng)度性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果，可以很好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，為其進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。