毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

喷涂法制备碳化硅/莫来石复合膜的研究

1.课题背景

气-固分离是在化工、冶金、煤炭燃烧和气化、水泥、环境保护等行业中都要用到的分离过程。高温气体中固态粒子的脱除、回收一直是工业废气处理、环境保护的重大课题。特别是纳米科技时代的到来，规模化生产纳米粉体的收集成为一大技术难点，传统的气固分离如旋风分离器、静电除尘、袋式除尘、水膜除尘、电袋除尘等，这些技术有的可以满足除尘的要求，但是不能在高温下长时间运行，它的稳定性有待提高；有的不能达到国家工业气体的排放标准，虽然近几年除尘技术也在发展，但是无法彻底的有效的除去小于PM2.5的亚微米级颗粒。

由于碳化硅陶瓷膜在高温下具有抗热震性高、机械强度大、耐腐蚀、耐高温等特点，其在高温气固分离上受到人们的注视。20世纪70年代，日本等国家在高温气体净化、烟气除尘用多孔陶瓷过滤材料研究方面取得较大进展。到了80年代，被称之为跨世纪新技术煤的洁净燃烧联合循环发电（IGCC）工艺技术的商业化，发达国家开始大量开展对高温气体过滤除尘技术的开发，在高温过滤材料的研制、高温除尘技术开发以及工程化应用等方面取得了很大进展，德国Schumacher公司的SiC滤管，美国Pall Schumacher开发了一种碳化硅质陶瓷复合膜高温过滤元件，用的产品为Dia-Schumalith F-20和Dia-Schumalith F-40碳化硅管。碳化硅多孔陶瓷膜是以金属氧化物、二氧化娃、碳化硅等材料为主原料^[1]，制备的具有高气孔率一种多孔性陶瓷过滤材料^[2,3]。

现在，世界各地已对刚玉、堇青石等为骨料的多孔陶瓷材料进行了深度的研究^[5,6]。在碳化硅上用传统等离子喷涂莫来石涂层,在受热循环时,易于产生裂纹和剥落。实验证莫来石作为一种用于高温工作环境的硅质陶瓷保护层的材料是大有前途的。实这是由于传统喷涂的莫来石中存在有非晶质莫来石所致。高温的碳化硅基质陶瓷在用新的等离子喷涂法喷涂莫来石涂层时,可消除产生的非晶质相,因此可以显著地改善涂层的性能。用此法喷涂的莫来石涂层,在从室温到1000℃～1400℃的高温循环条件下,显示出优良的附着性能和抗裂能力。

2.多孔SiC的陶瓷常用制备方法
2.1 复型法
碳化硅多孔陶瓷常用的制备方法主要有三种，即复型法、发泡法、模板合成法、 颗粒堆积法和牺牲模板法^[7-10]。复型法是一种以人工合的或天然的多孔材料为模板，将陶瓷悬独液或陶瓷前驱体通过饱和浸润或渗透反应的方法均匀附着到模板表面，高温烧结后就可以制备出结构同模板一样的碳化硅多孔陶瓷。复型法常用的合成模板有高分子泡沬和碳泡沫，天然模板有珊瑚、木材、蛋壳、蝴蝶翅膀等^[11-14]。复型法制备的多孔陶瓷的气孔率范围是孔径范围是。复型法的优点是模板的种类和结构丰富，而且还可以根据需要设计特定结构的模板，从而制备出特定结构的多孔陶瓷。它的缺点是高温去除模板过程中会在多孔陶瓷结构中留下很多缺陷，这往往导致制得的多孔陶瓷的强度较低。
2.2 发泡法
发泡法是在含有表面活性剂的陶瓷悬浮液或陶瓷前驱体中吹入气体发泡，然后将含有气泡的悬浮液或前驱体进行定型、干燥和烧结，最终得到碳化硅多孔陶瓷。表面活性剂的作用是稳定气泡结构。发泡法制备的多孔陶瓷的孔隙是典型的球形孔，通过控制吹入气体量，多孔陶瓷的气孔率可以从#8212;直增加。在气孔率较低时，多孔陶瓷的孔隙是闭孔结构，气孔率高于时，多孔陶瓷的孔隙变成幵孔结构，但由于气孔率太高而使其强度很低。牺牲模板法是在作为连续相的基体中加入作为牺牲模板的分散相，这两相复合物经过成型、烧去牺牲模板并烧结连续相等步骤后就可得到所需碳化硅多孔陶瓷。含有连续相和分散相的陶瓷还体的制备方法有两种：一种是把含有连续相和分散相的陶瓷混合粉末加压成型；另一种是制备含有连续相和分散相的陶瓷装料，然后用类似注架成型这样的湿法胶态成型工艺制备还体。用牺牲模板法制备的多孔陶瓷的气孔率范围是20-90%，孔径范围是1-700micro;m，得到的孔隙主要是开气孔。
2.3模板合成法
模板合成法^[15,16]指将陶瓷浆料浸渍入多孔模板上，如：泡沫、海绵等，从而成型，在高温烧结过程中，模板被烧完，从而制备出多孔陶瓷材料。此法制备的成品结构可控，与结构相关的性质也易于控制，但是自然界大量存在的模板较单一，一些结构特殊的模板量较少，而工业合成模板工艺较复杂。Lu^[17]等使用二氧化硅作为模板，使用气相以及液相沉积法在模板的孔内沉积碳，然后进行碳热还原，从而制备具有高比表面积的多孔碳化硅陶瓷。
2.4颗粒堆积法
颗粒堆积法^[15,18]指在一定压力下使得陶瓷粉末堆积，在高温下进行烧结，使得颗粒与颗粒之间的接触部分形成紧密的连接相，而颗粒间的孔隙形成孔结构，从而制备出多孔陶瓷结构。该法制备的陶瓷孔隙率低，但强度较高。王守平^[19]等使用不同粒度的电熔刚玉，引入含有TiO₂和MgO的Al₂O₃添加剂，利用颗粒堆积法制得了具有较高过滤性能多孔陶瓷。
2.5 牺牲模板法
牺牲模板法制备多孔陶瓷的关键步骤是去除牺牲模板，这一过程要控制好去除牺牲模板的速度，不能太快，否则多孔陶瓷容易出现结构缺陷。牺牲模板法制备多孔陶瓷的一个主要优势就是该方法可以通过选择形状和尺寸合适的牺牲模板以及控制牺牲模板在陶瓷还体中分布来有效控制烧成后的多孔陶瓷的气孔率、气孔孔径、孔径分布和孔隙形状。

3.碳化硅陶瓷膜的涂覆技术

目前工业使用的过滤膜^[20]有两类,一类是陶瓷纤维过滤膜,一类是陶瓷颗粒过滤膜。陶瓷纤维过滤膜是由纤维组成的,其气孔孔径的分布不均匀,导致过滤精度低于陶瓷颗粒过滤膜。而陶瓷颗粒过滤膜有小粒径陶瓷颗粒构成的过滤膜。过滤膜的气孔孔径主要取决于陶瓷颗粒的粒径,而陶瓷颗粒粒径是容易控制的,因此陶瓷颗粒过滤膜具有非常高的过滤精度^[21]和过滤效率^[22]。

3.1直接涂覆法

传统的过滤膜是直接在碳化硅多孔陶瓷支撑体上涂覆过滤膜,此方法的缺点是过滤膜所用的碳化硅颗粒粉料平均粒径要小于碳化硅支撑体的平均孔径,因此过滤膜的粉料颗粒会进入支撑体孔隙中。过滤膜的实际厚度则应算上碳化硅颗粒粉料进入支撑体孔隙中的过滤膜厚度,这种内渗现象增加了过滤膜的实际厚度,从而增加了过滤膜的过滤压降增加。

3.2浸涂法

首先制备SiC悬浮液,然后把碳化硅陶瓷过滤支撑体浸入悬浮液中,在毛细管力和黏性力的作用下形成涂层,经过浸浆,干燥烧结后得到多孔表面膜,通过反复浸浆,干燥达到所需要的膜厚度后,再采用等离子体技术进行高温喷涂,制成非对称陶瓷复合膜管。

膜的浸涂过程是制膜过程中的重要环节,关系到膜的厚度及其均匀性和膜的完整性.在多孔支撑体上浸涂膜通常利用两种机理:毛细过滤和薄膜形成机理.通过试验,发现仅仅是毛细过滤机理形成的膜强度好,但孔隙率和孔径均匀性差,仅仅是薄膜机理形成的膜,膜的孔隙率和孔径均匀性好,但膜的机械强度和热稳定性较差.所以先将多孔支撑体预处理,消除一部分毛细管力,同时利用两种机理涂膜.浸涂好膜后的陶瓷膜过滤管经干燥后,再利用等离子高温热喷涂.

3.3旋转喷涂法

将碳化硅粉、陶瓷粘结剂、涂膜液按一定质量比分别称取各原料所需的量,首先把涂膜液加入烧杯中,再在烧杯中依次加入碳化硅粉、陶瓷粘结剂。在水浴锅中磁力搅拌,从而得到均匀的过滤膜装料;将制备的均匀分散过滤膜浆料放入油漆喷枪中,调整进气压力、喷嘴张角、走枪速度等,从而控制吸楽速度、磨面厚度、平整度,使碳化硅颗粒过滤膜均匀涂覆在支撑体上。旋转支撑体,连续喷涂,通过控制时间,控制过滤膜厚度，其装置流程图如图1所示。

图1 空气喷涂装置图

4.课题研究目的及意义
本课题主要进行多孔碳化硅膜的配方研究，考察温度和莫来石含量对于碳化硅/莫来石复合膜的影响。通过调节碳化硅和莫来石的加入量比值，改变烧结温度，研究膜层性能的变化规律，制备出过滤精度高，气体通量大，耐高温，耐腐蚀的碳化硅复合膜。

国内技术与国外有较大的差距，国内高温气固分离膜市场仍由国外产品占主导地位。近年来，在国家环保节能政策的引导下，国内多孔陶瓷材料及膜材料技术有了较快的发展，清华大学李建保教授、中国科学技术大学孟广耀教授、山东陶瓷工业设计院薛友祥等在碳化硅陶瓷用于高温气固分离上有较多的研究，但总体来说我国目前还在实验室阶段，距离工业应用还有一段时间。但可以预言，随着国家”十二五”期间在节能环保方面的投资、随着能源和环保产业政策的扶持、国内同行业技术的不断发展和应用市场的不断扩大，必将推动我国高温除尘技术的发展，而缩小与国外的差距。

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

进行多孔碳化硅陶瓷膜的特性研究，考察用喷涂法制出的陶瓷膜性能优势性。主要看制备出的多孔碳化硅陶瓷在保证强度的同时也能有比传统氧化铝、氧化锆等陶瓷更高的气体通量，这样才能比布袋除尘有更大的优势，推进陶瓷膜在除尘领域大规模应用可能性。通过测量XRD、SEM、ED、TG-DSC、孔隙率、孔径分布、抗酸碱腐蚀性程度等，系统的研究了微观形貌、孔隙率、抗酸碱腐蚀性程度等膜材料性质参数随纤维含量的变化过程。多孔陶瓷膜的应用不仅要求其具有高的渗透通量，低的渗透阻力，而且还要求膜具有小的孔径及窄的孔径分布，以达到高的分离选择性，在实践过程中，渗透通量和渗透选择性是相互矛盾的。如何将这一矛盾统一起来，是膜制备过程中首要考虑的问题。为此，多孔陶瓷膜均制成复合型的具有多层非对称结构：支撑体为其提供一定的机械强度；支撑体上孔径更小、厚度更薄的膜层起到分离作用。

为提高碳化硅膜层的过滤精度，本工作选用平均粒径为12 μm的碳化硅颗粒作为膜层材料，控制膜层平均孔径在2-3 μm的范围内，以满足分离PM2.5的要求。由于支撑体孔径与膜层颗粒粒径不匹配，膜层颗粒容易内渗；并且支撑体孔径较大，毛细吸浆力较小，不利于在支撑体上形成完整的膜层，研究认为喷涂法是可行的。本章通过配制分散稳定的碳化硅制膜液，采用喷涂法在制备的多孔碳化硅支撑体上进行涂膜，考察不同喷涂时间和烧结制度对碳化硅膜层性能的影响。