碳化硅多孔陶瓷支撑体的制备及其力学性能的第一性原理研究.pdf

摘要 碳化硅多孔陶瓷材料具有导热系数低、密度低、比强度高、抗热震性高、化 学稳定性好、流体渗透性高、耐腐蚀性好等独特性能，故将其作为高温过滤除尘 系统中的主要材料。 为克服陶瓷材料固有的脆性，力求提高陶瓷材料的力学性能与气孔率。本研 究的第一部分从碳化硅多孔陶瓷微观结构、抗弯强度及过滤性能的一些影响因素 出发，以碳化硅颗粒为主要原料，先探究了最佳的烧结温度以及粘结剂含量，接 下来向粘结剂中掺杂碳酸钾，得到碳酸钾的最佳掺杂含量，在此基础上探究压力 对多孔陶瓷的影响。可以得到:最佳的烧结温度为1300℃，最佳的粘结剂含量为 10%。在此基础上，粘结剂中碳酸钾的最佳掺杂含量为15%，此时样品的抗弯强 度为35MPa，气孔率为24%。制条的最佳压力为5MPa，此时样品的抗弯强度最 大为47MPa，制片的最佳压力为9MPa，此时样品的气孔率最大为29%。 第二部分是使用Materials Studio 软件，在Forcite模块里面构建超晶胞模型， 以向粘结剂中掺杂碳酸钾和改变压力的实验为例，对制得的碳化硅多孔陶瓷进行 力学性能的第一性原理探究，尝试通过第一性原理来解释实验数据。可以得到： 随着氧化钾掺杂含量的增加，结合能的比值也在逐渐增大，超晶胞结合的更为紧 密，即将超晶胞整体分散成各部分需要的能量会更多。这与实验部分，随着粘结 剂中碳酸钾含量从0 逐渐增加到10%wt 时，抗弯强度也在不断增加的实验结论 是相符合的。随着压力逐渐增大，超晶胞的结合能随压力的增大逐渐增大，即随 着压力的增大，超晶胞结合的更为紧密，将超晶胞整体分散成各部分需要的能量 会更多。这与前面实验部分，随着压力的不断增大，样品的抗弯强度也随之增大 的实验结果是相符合的。 关键词：碳化硅多孔陶瓷；碳酸钾；压力；抗弯强度；结合能 I 目录 摘要I ABSTRACTII 第一章 绪论1 1.1 碳化硅多孔陶瓷材料的研究背景1 1.2 碳化硅多孔陶瓷材料概述2 1.3 本研究的主要内容及意义4 1.3.1 本文研究的主要内容5 1.3.2 本文研究的意义5 第二章 碳化硅多孔陶瓷的制备6 2.1 制备工艺6 2.2 实验原料制备7 第三章 碳化硅多孔陶瓷微观结构、抗弯强度及过滤性能的影响因素9 3.1 烧结温度对碳化硅多孔陶瓷截面形貌、抗弯强度和过滤性能的影响9 3.1.1 烧结温度对碳化硅多孔陶瓷样品截面形貌的影响9 3.1.2 烧结温度对碳化硅多孔陶瓷样品抗弯强度与气孔率的影响9 3.1.3 烧结温度对碳化硅多孔陶瓷样品过滤压降的影响10 3.2 粘结剂含量对碳化硅多孔陶瓷截面形貌、抗弯强度和过滤性能的影响11 3.2.1 粘结剂含量对碳化硅多孔陶瓷样品截面形貌的影响11 3.2.2 粘结剂含量对碳化硅多孔陶瓷样品抗弯强度与气孔率的影响12 3.2.3 粘结剂含量对碳化硅多孔陶瓷样品过滤压降的影响12 3.3 碳酸钾的掺杂对碳化硅多孔陶瓷物相、截面形貌、抗弯强度和过滤性能 的影响13 3.3.1 碳酸钾的掺杂对碳化硅多孔陶瓷样品物相的影响14 3.3.2 碳酸钾的掺杂对碳化硅多孔陶瓷样品截面形貌的影响14 3.3.3 碳酸钾的掺杂对碳化硅多孔陶瓷样品抗弯强度及气孔率的影响15 3.3.4 碳酸钾的掺杂对碳化硅多孔陶瓷样品过滤压降的影响16 3.4 压力对碳化硅多孔陶瓷截面形貌、抗弯强度和过滤性能的影响16 3.4.1 压力对碳化硅多孔陶瓷样品截面形貌的影响17 3.4.2 压力对碳化硅多孔陶瓷样品抗弯强度的影响17 3.4.3 压力对碳化硅多孔陶瓷样品气孔率的影响18 3.4.4 压力对碳化硅多孔陶瓷样品过滤压降的影响18 3.5 本章小结19 第四章 碳化硅多孔陶瓷支撑体力学性能的第一性原理研究20 4.1 掺杂氧化钾对碳化硅超晶胞结合能的影响20