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1、申请级别：口国家级0省级大学生创新训练项目申请书项目编号项目名称新型孔隙梯度分布泡沫陶瓷研制的初步研究项目负责人吴宗旭联系电话E-mail所在学院材料科学与工程学院学号专业班级学18级材料科学与工程一班指导老师陈晓虎职称教授申请日期2020.06起止年月2021.06华侨大学一、基本情况项目名称新型孔隙梯度分布泡沫陶瓷研制的初步研究所属学科材料科学与工程项目所属一级学科代码0804负责人姓名学号所在学院年级专业吴宗旭材料科学与工程2018材料科学与工程性别民族出生年月联系电话E-mail男满族1999年11月I指导教师姓名陈晓虎职称教授所在单位华侨大学材料科学与工程学院联系电话E-mail负责
2、人曾经参与科研的情况参加过2018届华侨大学实验技能大赛，熟练使用Chemdraworiginolex等专业软件指导教师承担科研课题情况度门科技局产学研项目一项企业合作项目三项指导教师对本项目的支持情况提供相关的实验空间、设备（卧式球磨机，行星式球磨机，压坯机，烧结炉，振动筛，搅拌磨等）以及实验成果的检测项目组主要成员姓名学号所在学院年级专业项目中的分工吴宗旭材料科学与工程2018材料科学与工程负责人，联系导师，负责实验操作，实施实验方案，合理分配任务和管理团队人员，负责项目答辩王献东材料科学与工程2018材料科学与工程负责查阅文献及专利，实验操作，成品性能测试吴琦材料科学与工程2018材料科
3、学与工程负责实验操作，文稿的撰写，PPT的制作，实验数据的记录以及实验安全的把控黄思婷材料科学与工程2018材料科学与工程负责实验操作，管理团队经费账务预算，保证资金的充分利用。二、立项依据（可加页）（一）研究目的泡沫陶瓷是种特殊的高气孔率的无机非金属材料，具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、使用寿命长及良好的过滤吸附性等优点，被广泛应用于生物化学、工业污水处理、汽车尾气处理、电工电子领域、医用材料领域以及隔热隔音材料领域。泡沫陶瓷是以陶瓷原矿、页岩、工业废渣、粉煤灰、煤砰石、炉渣等等作为主要原料，掺加一定比例的发泡剂、助溶剂等物质，经混合、制粉、填料工艺，再经高温焙烧而成的高气孔率的陶瓷材料
4、。目前，泡沫陶瓷的制备方法主要有：添加造孔剂法、发泡法、有机泡沫浸渍法、溶胶-凝胶法、冷冻-干燥法、陶瓷纤维前驱体法等。当前的制备方法或多或少存在着某些不足，如添加造孔剂法气孔的分布均匀性较差，造孔剂成分易残留；有机泡沫浸渍法目前所供选用的有机泡沫体的网眼尺寸十分有限；溶胶-凝胶法、冷冻-干燥法、陶瓷纤维前驱体法等所需原料规格高、过程复杂、设备要求高等等。因此，研究出一种相对比较简单、符合陶瓷制备工艺的泡沫陶瓷生产工艺具有重要意义。本项目利用福建龙岩高岭土尾矿为主要原料，通过选择不同的发泡剂与匹配、外加剂调控配比，配合陶瓷烧结工艺制度的变化，摸索一种在陶瓷生产过程中能够使得气孔率连续可调的工艺
5、方法，并制备出孔隙连续梯度分布的泡沫陶瓷。（二）研究内容本项目采用发泡法泡沫陶瓷制备的基本工艺路线，其具体的工艺路线如下：尾矿原料处理、多元发泡剂的选择、坯体调节剂的选择、球磨混料、干燥制粉、压坏成型、高温烧结、结果检测等。本项目的主要研究内容如下：1、发泡剂的选择与匹配：通过选择发泡温度条件不同的多种发泡剂进行发泡效果的研究，探讨发泡剂匹配关系对气孔率的影响及所需条件。2、坯体调节剂的选择与其作用的研究：通过添加胚体调节剂以改变泡沫陶瓷烧结过程中液相的数量及粘度，研究不同坯体调节剂对于气孔的生成及陶瓷整体烧结性能的影响。3、泡沫陶瓷烧结工艺制度的研究：将讨论不同的烧结工艺温度下，泡沫陶瓷可烧
6、结性的变化情况。通过最高烧结温度、保温时间以及分段式升温制度的制定，研究烧结温度对泡沫陶瓷气孔率的影响关系。()国、内外研究现状和发展动态20世纪70年代，美国首先研制出泡沫陶瓷过滤器，由于其结构与性能独特受到广泛关注。目前泡沫陶瓷已经成为重要的陶瓷材料，研究不断深入，新的制备方法不断涌现。泡沫陶瓷制备方法中发泡法制备工艺是泡沫陶瓷制备最符合传统陶瓷制备路线，具有工艺流程易控、设备条件简单、生产成本较低等优势。其主要决定因素是发泡剂的特性及与烧结工艺的匹配关系。在发泡剂方面的研究也取得了极大的进展，如GaEa-TenJ用碳化硅做发泡剂，研究了发泡剂量与力学性能，吸水率，孔隙率等方面的基本关系。
7、数据表明，添加尺寸小于10m的SiC粉可以制造具有适当强度，吸水率可忽略不计且重量减少26%的瓷砖。NaomichiMIYAGAWA使用碳化硅做发泡剂与莫来石反应制备多孔陶瓷，通过球磨法将0.6PIn的SiC颗粒与5-20泣的莫来石充分混合，平均粒度为约1.4m在真空下于1970C烧结2小时，得到到孔隙率为40%至55%、平均孔径为2m的泡沫陶瓷产品。ChiakiMATSUOKA将稻壳转化为碳化硅或二氧化硅，通过添加胶溶剂将其分散到与市售碳化硅相同的程度来作为制造泡沫陶瓷的发泡剂。谢纯采用特殊的发泡工艺，以高岭土、Siz(分析纯)、SbQK分析纯)和HsBO式优级纯)为主要原料，选取碳化硅和黑
8、炭为发泡剂，经IlO(TC烧结制备了具有一定孔径的泡沫陶瓷样品，测试结果表明，当发泡剂碳化硅和碳黑的含量分别为L8%和0.9%时，制备样品密度、吸水率气孔率分别为0.79g/cm3、43%和35%,样品外观完整。2015年，山东理工大学李丽霞在改性的PeChini工艺中添加聚乙二醇(PEG)后在碳化硅颗粒表面沉积磷酸八钙(OCP)制备得到SiC0CP发泡剂。在改性的PeChini工艺中添加聚乙二醇(PEG)后在碳化硅颗粒表面沉积磷酸八钙(OCP)制备得到SiC0CP发泡剂。在改性的PeChini工艺中添加聚乙二醇(PEG)后在碳化硅颗粒表面沉积磷酸八钙(OCP)制备得到SiC0CP发泡剂。20
9、17年，中南大学侯丽君分别以淀粉和二氧化钵为发泡剂，以硼酸钠为助溶剂，成功制备以赤泥和粉煤灰为主要原料的泡沫陶瓷。研究结果表明制备以赤泥和粉煤灰为主要原料的泡沫陶瓷。在一些特殊情况下，将原料配成浆料，在配方中添加化学试剂通过其化学反应放出气体在浆料内留下气孔，如MnO2,双氧水等。2012年商洛学院赵威采用商洛铝尾矿为主要原料烧制泡沫陶瓷，加入氧化剂MnO力弥补发泡剂由于氯气不足而引起的发泡不均。在相同升温速率下，加入MnO2可使泡沫陶瓷的平均孔径明显增大。在满足使用要求的条件下，将高温段的升温速率从3Cmin提高到5Cmin,缩短烧成周期约45min,提高泡沫陶瓷生产效率。由于泡沫陶瓷的应用
10、领域的日益扩展，对于其孔隙率及孔隙存在形式提出了更高的要求。目前发泡法制备工艺的发展与更新主要集中在新型发泡剂的选择与合成、孔隙率的精细调控、孔隙状态(开口或闭口)的调控、烧结制度的研究等方面。参考文献1Garca-TenJ,SaburitA,BernardoE,etal.DevelopmentOflightweightporcelainstonewaretilesusingfoamingagenisJ.JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2012,32(4):745-752.2NaomichiMIYAGAWA,NobuhiroSHINOHARA,Hirots
11、uguTAKIZAWA,etal.FabricationandMechanicalPropertiesofthePorousSiCCeramicsUsingMulliteasaFoamingAgentJ.inorganicmaterials,2011,4:350-355.3ChiakiMATSUOKA5TakashiTERANISHLHidetakaHAYASHI,AkiraKISHIMOTO.UtilizingRiceHuskforCeramicandGlassFoamsasMatrixandFoamingAgentJ.JournaloftheJapanSocietyofPowderandP
12、owderMetallurgy,2018,65(8).4谢纯，张学双，李明田，等.发泡制备泡沫陶瓷砖J.全面腐蚀控制，2016,30(9):7-11.5李丽霞,逮鹏,丁锐,姚奇恒,刘俊成,袁东峰,李成峰.SiC0CP发泡剂用于制备以赤泥和瓷砖废料为原料的多孔陶瓷J硅酸盐通报,2015,34(12):3635-3640.侯丽君，刘涛涌，卢安贤.以淀粉和二氧化锌为发泡剂的赤泥-粉煤灰基泡沫陶瓷(英文)J.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2017,27(03):591598.（四）创新点与项目特色创新点：1 .遵循陶瓷材料制备的通用方法，通过
13、不同种类、不同分解温度的发泡剂联合使用，调节相互配比关系，在陶瓷烧结各个温度区间都有气体产生，在陶瓷体内形成连续分布的孔隙，提高发泡率。该方法工艺相对简单，工艺条件易控。2 .通过外加剂的调节并配合烧结工艺，得到气孔分布均匀、孔隙率高且可控的泡沫陶瓷。3 .通过压坯工艺的改进，配合发泡剂的选择有望制备出孔隙梯度分布的新型泡沫陶瓷。4、采用福建龙岩高岭土的尾矿作为主要原料，固体废物的综合利用，不仅可以大幅度降低生产成本还具有节能环保的重要意义。项目特色：泡沫陶瓷是一种多孔状、具有高比表面积的新型材料，它使用尾矿生产，提高了尾矿的再生利用价值，变废为宝，这一特点也使其生产成本低，不仅如此，泡沫陶瓷
14、在使用价值方面也有优越的性能。如耐高温、隔音、轻质、耐腐蚀等优点，在很多领域得到应用。本项目研发的泡沫陶瓷制备工艺相对简便，工艺流程容易控制，有利于该技术的实际应用。（五）技术线路、拟解决的问题及预期成果1.技术线路把混合好的配料放入球磨液中， 加入的水， 拧紧，把球居8? 放在球磨机上进 行球磨燥作，让酉涕斗混合均匀将主要原料高岭土尾炉进行破碎处理，加入适量碳化硅作为发泡剂，另加入少慰助熔剂、增塑剂，注意每组实验的数据记录球磨结束后，取下球磨底，将其中的原料和球磨珠过速分离开，把制得的料浆放入烘箱中烘干发泡时间到后，以自然冷却的速度让炉内温度降至室温，取出，切割为样品把烘干后获得的粉末用压坯
15、机压制成圆柱形颗粒，把压制好的生坯放入马弗炉中，升至一定温度，保温发泡2.变量控制（1）复合发泡剂中碳酸盐、硫酸盐、面粉、碳化硅的相对含量（2）滑石、长石、白云石等胚体调节剂的相对含量（3）最高烧结温度及保温时间或分段式烧结制度3.性能测试与表征（1）气孔率和密度（2）导热系数（3）扫描电镜（SEM）观察（4） XRD测试4 .拟解决的问题拟解决如下主要问题：1）如何改变烧成制度是制备符合要求的泡沫陶瓷的必要因素。拟采用分段式升温，低温慢烧、高温快烧烧制陶瓷（2）如何选择合适的发泡剂配比以使发泡均匀，孔径一致，提高发泡效果。拟通过控制变量法，调整各发泡剂的含量，记录实验数据，分析结果（3）如何选择合适的配体调节剂以改变泡沫陶瓷烧结过程中液相的数量及粘度。拟加入少量助熔剂提高材料高温粘度，若坯体的塑性较差，制坯过程可添加少量增塑剂。5 .预期成果
