Рисунок 1.10 - Микроструктура пористой проницаемой керамики из узкофракционированных порошков,

а – прямой контакт частиц порошка друг с другом, б – контакт частиц порошка через связку [28].

В большинстве случаев условия эксплуатации изделий таковы что с точки зрения экономики целесообразно использовать изделия с микроструктурой приведённой на рисунке 1.10б. Для создания керамики с такой микроструктурой применяют порошок наполнителя и связку (тонкомолотый и \ или легкоплавкий компонент). В качестве связки обычно используют пластичные огнеупорные или тугоплавкие глины, бентонитовые глины а также некоторые другие материалы [29].

Выводы:

• использование шихты, состоящей из наполнителя и связки, приводит к удешевлению мембран.

1.3.1. Влияние состава шихты на необходимые технологические условия и свойства подложек

В работах [30, 31] использовали шихту состоящую из 40 масс. % корунда (2 - 4 мкм) и 60 масс. % зёрен спёка на основе муллита (50 - 100 мкм) и 2 % cмеси MgO и SiC сверх 100 % (2 мкм), обжигали до пористости 29 % и прочности 300 МПа при температуре 1500 °C, кроме того для получения спёка на основе муллита понадобился дополнительный обжиг при 1600 °C. Использование такой шихты

23

приводит к очень высоким значениям прочности, однако, материалы, полученные с их использованием, имеют относительно высокую себестоимость.

Вработе [32] использовали шихту состоящую из 73 % корунда F-600 (10 мкм)

и27 % золя SiO2 (2 - 4 мм) обжигали до пористости 47 % и прочности 25,8 МПа, при температуре 1400 °C и выдержкой в течении четырёх часов. Использование такой шихты приводит к высоким значениям пористости, однако, материалы, полученные с их использованием, имеют существенную себестоимость.

Вработе [33] использовали шихту состоящую из 60 % Al2O3 (2 - 3 мкм) и 40 % SiC (80 - 100 мкм) с тонкомолотой (5 мкм) упрочняющей добавкой — 2 % сверх 100 % и выгорающей добавкой 25 % сверх 100 %. Обжигали до пористости 39,9 % и прочности 60 МПа при 1580 °C и выдержке в течении 2 часов. Использование такой шихты приводит к высоким значениям пористости, и повышенным значениям прочности, однако, материалы, полученные с их использованием, имеют относительно высокую себестоимость.

Выводы:

•для получения образцов при низких температурах обжига, в качестве связки следует применять компонент, благодаря которому образуется жидкая фаза, что приводит к переходу от твёрдофазного спекания к жидкофазному;

•для того, чтобы уменьшить количество загрязнителей шихты, приводящих к ухудшению коррозионной стойкости, в качестве компонента образующую жидкую фазу, следует использовать огнеупорную глину.

1.3.2. Влияние зернистости заполнителя на характеристики подложек С целью изучения влияния размера зёрен заполнителя на основные физико-

технические свойства керамики, в работе [34] использовали для её получения электрокорунд со средним размером частиц соответственно 5, 20, 63 и 120 мкм, обжиг при температуре 1500 °C с выдержкой при максимальной температуре 2 ч результаты свели в таблицу 1.1.

24

Таблица 1.1 - Свойства пористой керамики на основе Al2O3 [34].

Керамика с размером зёрен электрокорунда от 20 до 120 мкм имеет достаточно высокую механическую прочность, но размер пор, изменяющийся от 3.1 до 4,5 мкм, слишком велик, чтобы использовать этот материал в качестве фильтра для разделения газовых смесей. Керамический материал на основе электрокорунда с размером зерен 5 мкм вследствие небольшого среднего размера пор (около 2 мкм) и относительно невысокой пористости (19 %) характеризуется пониженной газопроницаемостью, составляющей 0,03 мкм2, и превосходит керамику из более крупнозернистых масс по механической прочности, поэтому перспективно его использование для фильтров.

Выводы:

•использование электрокорунда с размером зёрен менее 5 мкм приводит к сильному ухудшению газопроницаемости по причине уменьшающегося размера пор, приводящего к увеличению гидравлического сопротивления;

•применение электрокорунда с размером зёрен более 20 мкм ухудшает прочность, по причине уменьшающегося количества контактов между зёрнами.

1.3.3.Добавки

Для повышения прочности, термической и химической стойкости при сохранении проницаемости, пористости и распределения по размерам пор в шихту, из которой будет получена корундовая мембрана можно добавить смесь порошков карбида кремния и одного из оксидов из ряда CaO, MgO, MnO, NiO, ZnO при

25

соотношении SiC:MeO, равном 2:1, при следующем соотношении компонентов, масс. %: Al2O3 95 - 99; смесь порошков SiC и одного из оксидов из ряда CaO, MgO, MnO, NiO, ZnO (при соотношении SiC:MeO 2:1) - 1 — 5. Предлагаемый состав

В некоторых случаях для повышения качества мембран вводят добавки обладающие особым влиянием на структуру [36], например:

сопротивления фильтруемой среды и повышению проницаемости;

• введение добавок, увеличивающих объём при фазовых переходах, увеличивает открытую и проницаемую пористость.

В работе [37] для получения фильтров исследовали влияние выгорающих добавок на пористость в корундовой мембране. Керамическую основу готовили из порошков оксида алюминия марки Alcoa CT3000SG с D50 = 0,7 мкм с добавлением крахмала, в качестве порообразователя, что после термообработки при 1300 °C вызвало образование пористости 40 % из которых открытых пор 87 %. В отсутствие порообразователя пористость была только 25 % с 49 % открытых пор.

1.4. Формование заготовки Наиболее распространённые методы формования керамических подложек для

мембран — полусухое прессование и экструзия.

При экструзии в образце появляется анизотропность и некоторая текстура, выраженная в том, что в объеме образуются каналы параллельно направлению истечения материала или каверн от скопления влаги в энергетически благоприятных

26