一、核心影响机制:纤维素的 “造孔作用”
纤维素在蜂窝陶瓷制备中作为有机造孔剂,其影响孔隙率的原理主要通过 “高温烧失留孔” 实现,具体过程如下:
成型阶段:纤维素与陶瓷粉料(如堇青石、氧化铝等)混合均匀后,通过挤出成型制成蜂窝状坯体。此时纤维素以固体颗粒形式分散在坯体中,占据一定空间。
烧结阶段:在高温烧结过程中,纤维素会完全燃烧分解(通常在 200-600℃区间),最终以二氧化碳、水蒸气等形式挥发,其原本占据的空间不会被陶瓷粉料填补,从而在陶瓷内部形成大量孔洞。
孔隙率调控:纤维素的添加量直接决定了 “被占据空间的总量”,因此添加量越多,燃烧后留下的孔洞数量和体积越大,蜂窝陶瓷的孔隙率也就越高。
二、不同添加量的具体影响:从孔隙率到结构性能
纤维素添加量需控制在合理范围,过量或不足都会影响蜂窝陶瓷的综合性能,具体可分为三个阶段:
1. 低添加量阶段(低于临界值下限)
孔隙率表现:孔隙率较低,且多为小尺寸闭孔或微孔,无法满足过滤、催化等场景对高孔隙率的需求。
结构性能:陶瓷坯体中纤维素占据空间少,陶瓷颗粒结合紧密,烧结后结构致密,机械强度较高,但透气性、吸附性较差。
2. 适宜添加量阶段(临界值范围内)
孔隙率表现:孔隙率随添加量增加呈线性上升,形成的孔洞以连通孔为主,孔径大小均匀,可根据需求(如孔隙率 30%-60%)准确调控添加量。
结构性能:孔洞与陶瓷骨架平衡分布,既保证了较高的孔隙率(满足过滤、传质需求),又能维持足够的机械强度,避免陶瓷在使用中断裂或破损。
3. 高添加量阶段(超过临界值上限)
孔隙率表现:孔隙率增长放缓,甚至出现 “孔隙融合” 现象,形成过大的孔洞或贯通性裂缝,导致孔隙结构不均匀。
结构性能:纤维素占据空间过多,陶瓷颗粒之间的接触面积减少,烧结后无法形成稳定的骨架结构,机械强度急剧下降,甚至在烧结过程中出现坯体开裂、变形,无法成型。
三、影响 “临界添加量” 的关键因素
纤维素的临界添加量(即既能保证高孔隙率又不破坏结构的添加量)并非固定值,受以下因素影响:
纤维素自身特性:纤维素的粒径、形状会影响分散性。粒径较小的纤维素分散更均匀,临界添加量可适当提高;长纤维状纤维素易团聚,临界添加量较低。
陶瓷粉料特性:粉料的粒径、比表面积决定了颗粒间的结合能力。细粒径粉料比表面积大,颗粒结合更紧密,可承受更高的纤维素添加量;粗粒径粉料则相反。
成型与烧结工艺:挤出成型时的压力、坯体厚度,以及烧结时的升温速率、保温时间,都会影响纤维素的烧失过程和陶瓷颗粒的烧结致密化,进而改变临界添加量。例如,缓慢升温可避免纤维素快速燃烧导致坯体开裂,间接提高临界添加量。

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