摘要:氣體吸附技術(shù)是材料表面物性表征的重要方法之一,基于吸附分析能夠?qū)μ沾刹牧系谋缺砻娣e、孔容及孔徑分布、真密度等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。進(jìn)而可以考察材料的吸附、催化、導(dǎo)熱、吸音和抗震等多種性能,助力陶瓷材料的快速高質(zhì)量發(fā)展。
陶瓷是以粘土為主要原料,并與其他天然礦物經(jīng)過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料以及各種制品,是陶器和瓷器的總稱。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展,陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分,由于陶瓷特定的精細(xì)結(jié)構(gòu)和其高強(qiáng)、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、磁性、半導(dǎo)體以及壓電、聲光、生物相容等一系列優(yōu)良性能,被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、化工、冶金、電子、機(jī)械、航天、生物醫(yī)學(xué)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。
一、陶瓷材料的分類
陶瓷,按化學(xué)成分可分為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷兩大類。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能,具有電氣性能、磁性、生物特性、熱敏性和光學(xué)特性等特點(diǎn);結(jié)構(gòu)陶瓷主要基于材料的力學(xué)和結(jié)構(gòu)用途,具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點(diǎn)。
二、氣體吸附技術(shù)助力陶瓷材料的性能研究
研究發(fā)現(xiàn),陶瓷材料的加工性能和功能屬性與其本身的物性參數(shù)有著密不可分的關(guān)系。例如,陶瓷材料的比表面積和孔徑分布與陶胚的加工和燒結(jié)固化、成品強(qiáng)度、質(zhì)感和密度等有著緊密的聯(lián)系;一般來說,陶瓷原材料的比表面積越大,相應(yīng)的燒結(jié)溫度就會(huì)較低,且燒結(jié)效率會(huì)更高。此外,對(duì)于多孔陶瓷材料來說,具有體積密度低,孔分布均勻且尺寸可控,孔隙率高、高比表面積等特性,使其具備廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。因此,非常有必要對(duì)陶瓷材料的比表面積、孔徑分布和密度等物性參數(shù)進(jìn)行表征。
三、比表面積和孔徑分布在陶瓷材料表征中的應(yīng)用
?。?)碳化硅陶瓷材料表征案例
碳化硅(SiC)陶瓷材料具有良好的耐磨性、導(dǎo)熱性、抗氧化性及優(yōu)異的高溫力學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)保、化工機(jī)械、半導(dǎo)體、國(guó)防軍工等領(lǐng)域[1]。碳化硅陶瓷材料的應(yīng)用經(jīng)歷了從低表面積發(fā)展成為多孔、高比表面積的方向。
這其中多孔碳化硅材料是一種兼具結(jié)構(gòu)性和功能性的陶瓷材料,其不僅具有陶瓷基體的優(yōu)良性能,而且還具有較大的氣孔率、氣孔表面積以及可調(diào)節(jié)的氣孔形狀、氣孔孔徑尺寸及其分布、氣孔在三維空間的分布及其連通性等。其豐富的孔徑結(jié)構(gòu)使其可在嚴(yán)苛的環(huán)境條件下作為氣體、 液體(如熔融金屬)、 固體顆粒的過濾材料以及催化劑載體等[2]。
以下是使用國(guó)儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對(duì)碳化硅陶瓷材料的表征案例。測(cè)試前,樣品均在200℃真空條件下加熱1小時(shí)進(jìn)行脫氣處理。在進(jìn)行BET方程計(jì)算時(shí),對(duì)于介孔、大孔以及無孔材料,P/P0選點(diǎn)范圍為0.05-0.3;對(duì)于微孔材料或者含有微孔結(jié)構(gòu)的材料,其P/P0選點(diǎn)范圍一般會(huì)前置(大多數(shù)在0.01~0.1范圍)。從圖1可以看出,通過不同方法合成的SiC多孔陶瓷材料,其BET方程的P/P0選點(diǎn)在0.01~0.1,分別為60.24 m2/g,78.07 m2/g和106.74 m2/g,差異較大,研究者可以通過比表面積的測(cè)試結(jié)果來進(jìn)行基礎(chǔ)性能的預(yù)估;此外,結(jié)合性能測(cè)試,其比表面積的大小也能為其分析作用機(jī)理做一個(gè)參考。
圖1 SiC-01(左)、SiC-02(中)和SiC-03(右)的比表面積測(cè)試結(jié)果
除此之外,對(duì)其他碳化物陶瓷材料也做了相應(yīng)的表征,以下是對(duì)碳化鎢(WC)陶瓷材料的表征。由圖2可知,BET方程的P/P0選點(diǎn)在0.05~0.3,其比表面積較小,但也能通過比表面積測(cè)試,將其差異準(zhǔn)確的表征出來;此外,能對(duì)其生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性也做一個(gè)參考。
圖2 WC-1(左)、WC-2(右)的比表面積測(cè)試結(jié)果
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