【内含pdf】气体吸附技术在陶瓷行业表征中的应用
时间：2023-09-21 阅读：787
摘要：气体吸附技术是材料表面物性表征的重要方法之一，基于吸附分析能够对陶瓷材料的比表面积、孔容及孔径分布、真密度等参数进行精准的分析。进而可以考察材料的吸附、催化、导热、吸音和抗震等多种性能，助力先进陶瓷材料的快速高质量发展。
陶瓷是以粘土为主要原料，并与其他天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品，是陶器和瓷器的总称。随着现代高新技术的发展，先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分，由于先进陶瓷特定的精细结构和其高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、磁性、半导体以及压电、声光、生物相容等一系列优良性能，被广泛应用于国防、化工、冶金、电子、机械、航天、生物医学等国民经济的各个领域。
01 先进陶瓷材料的分类
先进陶瓷，按化学成分可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。按性能和用途可分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能，具有电气性能、磁性、生物特性、热敏性和光学特性等特点；结构陶瓷主要基于材料的力学和结构用途，具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等特点。
02气体吸附技术助力陶瓷材料的性能研究
研究发现，陶瓷材料的加工性能和功能属性与其本身的物性参数有着密不可分的关系。例如，陶瓷材料的比表面积和孔径分布与陶胚的加工和烧结固化、成品强度、质感和密度等有着紧密的联系；一般来说，陶瓷原材料的比表面积越大，相应的烧结温度就会较低，且烧结效率会更高。此外，对于多孔陶瓷材料来说，具有体积密度低，孔分布均匀且尺寸可控，孔隙率高、高比表面积等特性，使其具备广泛的应用场景。因此，非常有必要对陶瓷材料的比表面积、孔径分布和密度等物性参数进行表征。
03比表面积和孔径分布在陶瓷材料表征中的应用
（1）碳化硅陶瓷材料表征案例
碳化硅（SiC）陶瓷材料具有良好的耐磨性、导热性、抗氧化性及优异的高温力学性能，被广泛应用于能源、环保、化工机械、半导体、国防等领域[1]。碳化硅陶瓷材料的应用经历了从低表面积发展成为多孔、高比表面积的方向。
这其中多孔碳化硅材料是一种兼具结构性和功能性的陶瓷材料，其不仅具有陶瓷基体的优良性能，而且还具有较大的气孔率、气孔表面积以及可调节的气孔形状、气孔孔径尺寸及其分布、气孔在三维空间的分布及其连通性等。其丰富的孔径结构使其可在严苛的环境条件下作为气体、 液体（如熔融金属）、 固体颗粒的过滤材料以及催化剂载体等[2]。
以下是使用国仪量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔径分析仪对碳化硅陶瓷材料的表征案例。测试前，样品均在200℃真空条件下加热1小时进行脱气处理。在进行BET方程计算时，对于介孔、大孔以及无孔材料，P/P0选点范围为0.05-0.3；对于微孔材料或者含有微孔结构的材料，其P/P0选点范围一般会前置（大多数在0.01～0.1范围）。从图1可以看出，通过不同方法合成的SiC多孔陶瓷材料，其BET方程的P/P0选点在0.01～0.1，分别为60.24 m2/g，78.07 m2/g和106.74 m2/g，差异较大，研究者可以通过比表面积的测试结果来进行基础性能的预估；此外，结合性能测试，其比表面积的大小也能为其分析作用机理做一个参考。
图1 SiC-01（左）、SiC-02（中）和SiC-03（右）的比表面积测试结果
除此之外，对其他碳化物陶瓷材料也做了相应的表征，以下是对碳化钨（WC）陶瓷材料的表征。由图2可知，BET方程的P/P0选点在0.05～0.3，其比表面积较小，但也能通过比表面积测试，将其差异精准的表征出来；此外，能对其生产工艺的稳定性也做一个参考。
图2 WC-1（左）、WC-2（右）的比表面积测试结果
（2）氧化铝陶瓷材料表征案例...
（3）二氧化钛陶瓷材料表征案例...
（4）真密度表征中的实际应用案例...
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参考文献：
[1] 李辰冉, 谢志鹏, 康国兴, 等. 国内外碳化硅陶瓷材料研究与应用进展[J]. 硅酸盐通报, 2020, 39(5): 1353-1370.
[2] 蒋兵, 王勇军, 李正民. 多孔碳化硅陶瓷制备工艺研究进展[J]. 中国陶瓷, 2012 (11): 1-3.