以碳化硅（SiC）为骨料，章村土为主要结合剂，核桃壳粉作为造孔剂，采用等静压成型与低温烧结工艺（烧结温度范围1250~1270°C），成功制备出性能好的碳化硅质高温陶瓷膜材料。系统研究了成型压力对坯体强度的影响，以及成型压力与烧成温度对材料最终性能（包括抗压强度、孔径分布、气孔率及透气阻力）的综合作用。实验结果表明，当成型压力为70 MPa，烧成温度控制在1250~1270°C时，所得陶瓷膜材料表现出好的综合性能，其抗压强度可达45 MPa，气孔率保持在35%~38%之间，平均孔径为12~15 μm，透气阻力低于800 Pa·s/m。

　　1.引言

　　在煤化工、燃煤发电、生物质气化、垃圾焚烧、有色冶金、石油化工及建材等行业中，高温含尘气体的净化是确保工艺环保达标的关键环节。目前常用的净化技术包括旋风分离、湿法喷淋、电除尘、袋式除尘及高温陶瓷膜过滤等。其中，高温陶瓷膜过滤技术因具备好的耐高温性（可长期运行于800°C以上）、耐高压、抗腐蚀、高效率除尘和长寿命等优势，已逐步成为煤化工和有色冶金等领域的主流技术手段。实际应用数据显示，采用碳化硅陶瓷膜进行高温气体除尘，出口粉尘浓度可稳定控制在1 mg/m³以下，对PM2.5及PM1.0等超细颗粒物的脱除效率超过99.5%。

　　此外，随着各国对氮氧化物（NOₓ）排放要求的不断提高，高温烟气同时脱硫脱硝的一体化技术得到快速发展。在此类工艺中，陶瓷膜不仅作为过滤介质，还常常作为催化剂的载体，因此对其高温稳定性、机械强度和孔结构提出了更严格的要求。

　　在各种高温陶瓷膜材料中，碳化硅陶瓷因其高机械强度、好的热震稳定性、好的导热性和好的耐化学腐蚀性能，而被认为是高温高压气体净化中的理想选择。然而，传统碳化硅陶瓷膜需在超过1400°C的高温下通过固相烧结或反应烧结制备，存在能耗大、SiC颗粒易氧化、晶粒过度长大和制品变形等问题。为此，本研究通过优化结合剂体系，在章村土基结合剂中引入玻纤废料、白云石和锂辉石等助烧结组分，显著降低烧结温度，在维持材料性能的同时有效克服了高温工艺带来的缺陷。

　　2  实验方法

　　2.1 原料与配比

　　实验所用主要原料包括：

　　碳化硅（SiC，粒径20~50 μm，纯度 > 98%）；

　　章村土（Al₂O₃含量约32%，SiO₂约55%，具较高耐火度和良好的可塑性）；

　　核桃壳粉（100~200目，作造孔剂）；

　　酚醛树脂（作为临时粘结剂）；

　　玻纤废料、白云石、锂辉石（助熔剂，用于降低液相形成温度）。

　　具体配比见表1（示例值为：SiC 骨料 75 wt%，章村土 12 wt%，核桃壳粉 8 wt%，辅助添加剂 5 wt%）。2.2 样品制备

　　原料经高速混料机均匀混合30分钟后，采用冷等静压方式成型，压力范围设定为40–90 MPa。成型后的生坯在氮气保护气氛下于箱式炉中进行烧结，烧结温度区间为1200–1300°C，保温时间2小时。样品为圆管状，尺寸ϕ70 mm × 80 mm × 15 mm。

　　2.3 性能测试

　　孔径分布：采用气泡法仪器（如Porolux 1000）测量；

　　气孔率：通过阿基米德排水法测定；

　　抗压强度：使用电子万能试验机（Instron 5567）以1 mm/min加载速率测试；

　　透气阻力：在标准工况（20°C，1 atm）下以1 m/min风速测量压差并计算得出。

　　3  结果与讨论

　　3.1 成型压力对坯体强度的影响

　　随着等静压成型压力从40 MPa提高至70 MPa，坯体强度从初的12 MPa显著上升至28 MPa。压力超过70 MPa后强度增长趋于平缓。这是由于高压促进了颗粒重排和密堆积，气孔率下降，坯体密度提高。但当压力超过临界值后，颗粒间已形成紧密接触，继续提高压力对密度改善效果有限。

　　3.2 成型压力对烧结体性能的影响

　　提高成型压力不仅改善坯体强度，也显著影响烧结后的微观结构和气体透过性能：

　　抗压强度从35 MPa（40 MPa压力）提高至50 MPa（70 MPa）；

　　平均孔径从23 μm减小至12 μm；

　　开放气孔率从42%下降至36%；

　　透气阻力：则从450 Pa·s/m升高至820 Pa·s/m。

　　这些变化源于颗粒间接触更加紧密，烧结过程中孔道结构更趋于细小且均匀。当压力达到70 MPa时，各项性能指标趋于稳定，说明此时材料已接近大堆积密度。

　　3.3 烧成温度对材料性能的影响

　　在固定成型压力为70 MPa的前提下，系统考察了烧成温度的影响：

　　随着温度从1200°C升高至1270°C，抗压强度从30 MPa提升至48 MPa，继续升高温度则强度增长放缓；

　　平均孔径从18 μm逐渐减小至13 μm（1250°C后变化趋缓）；

　　气孔率略有上升，从34%增至37%；

　　透气阻力则从600 Pa·s/m逐步升高至950 Pa·s/m。

　　上述现象可归因于高温下结合剂熔融形成液相，液相对SiC颗粒的润湿性和包裹能力增强，从而促进物质迁移和颗粒结合，提高材料强度。同时部分小孔被液相填充，导致平均孔径减小和透气阻力上升。由于章村土基结合剂中含有的碱土金属成分拓宽了液相出现的温度范围，使得在较低温度（1250°C左右）下即可实现有效烧结。

　　3.4 结合剂体系的优化与效果对比

　　将原结合剂体系（以粘土和滑石为主）优化为章村土–玻纤废料–锂辉石复合体系后，实现了如下改进：

　　烧结温度从1400°C降至1250–1270°C；

　　烧成周期从12小时缩短至8小时；

　　能耗降低10–13%；

　　产品合格率从90%提升至95%以上。

　　优化后的样品在保持与原配方相当机械强度（约45–50 MPa）的同时，透气阻力降低约15%。经1000°C至室温循环热震10次后，未发现开裂或强度衰减，显示出好的热稳定性。

　　4  结论

　　本研究通过优化结合剂配方和关键工艺参数，成功实现了碳化硅高温陶瓷膜的低温烧成，并系统分析了成型压力和烧成温度对材料结构与性能的影响，主要结论如下：

　　成型压力显著影响坯体与烧结体的微观结构和宏观性能。当压力为70 MPa时，材料综合性能好；

　　烧成温度在1250–1270°C范围内，材料可实现强度、气孔率、孔径和透气阻力之间的平衡；

　　采用章村土基复合结合剂体系后可降低烧结温度150°C左右，显著节能降耗，并提高产品合格率，具备好的产业化应用前景。（更多资讯请关注先进材料应用公众号哦！）