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【內(nèi)含pdf】氣體吸附技術(shù)在陶瓷行業(yè)表征中的應(yīng)用
摘要：氣體吸附技術(shù)是材料表面物性表征的重要方法之一，基于吸附分析能夠?qū)μ沾刹牧系谋缺砻娣e、孔容及孔徑分布、真密度等參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的分析。進(jìn)而可以考察材料的吸附、催化、導(dǎo)熱、吸音和抗震等多種性能，助力先進(jìn)陶瓷材料的快速高質(zhì)量發(fā)展。
陶瓷是以粘土為主要原料，并與其他天然礦物經(jīng)過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料以及各種制品，是陶器和瓷器的總稱。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分，由于先進(jìn)陶瓷特定的精細(xì)結(jié)構(gòu)和其高強(qiáng)、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、磁性、半導(dǎo)體以及壓電、聲光、生物相容等一系列優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于國防、化工、冶金、電子、機(jī)械、航天、生物醫(yī)學(xué)等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。
01 先進(jìn)陶瓷材料的分類
先進(jìn)陶瓷，按化學(xué)成分可分為氧化物陶瓷、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。按性能和用途可分為功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷兩大類。功能陶瓷主要基于材料的特殊功能，具有電氣性能、磁性、生物特性、熱敏性和光學(xué)特性等特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)陶瓷主要基于材料的力學(xué)和結(jié)構(gòu)用途，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等特點(diǎn)。
02氣體吸附技術(shù)助力陶瓷材料的性能研究
研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料的加工性能和功能屬性與其本身的物性參數(shù)有著密不可分的關(guān)系。例如，陶瓷材料的比表面積和孔徑分布與陶胚的加工和燒結(jié)固化、成品強(qiáng)度、質(zhì)感和密度等有著緊密的聯(lián)系；一般來說，陶瓷原材料的比表面積越大，相應(yīng)的燒結(jié)溫度就會(huì)較低，且燒結(jié)效率會(huì)更高。此外，對于多孔陶瓷材料來說，具有體積密度低，孔分布均勻且尺寸可控，孔隙率高、高比表面積等特性，使其具備廣泛的應(yīng)用場景。因此，非常有必要對陶瓷材料的比表面積、孔徑分布和密度等物性參數(shù)進(jìn)行表征。
03比表面積和孔徑分布在陶瓷材料表征中的應(yīng)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、導(dǎo)熱性、抗氧化性及優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)保、化工機(jī)械、半導(dǎo)體、國防等領(lǐng)域[1]。碳化硅陶瓷材料的應(yīng)用經(jīng)歷了從低表面積發(fā)展成為多孔、高比表面積的方向。
這其中多孔碳化硅材料是一種兼具結(jié)構(gòu)性和功能性的陶瓷材料，其不僅具有陶瓷基體的優(yōu)良性能，而且還具有較大的氣孔率、氣孔表面積以及可調(diào)節(jié)的氣孔形狀、氣孔孔徑尺寸及其分布、氣孔在三維空間的分布及其連通性等。其豐富的孔徑結(jié)構(gòu)使其可在嚴(yán)苛的環(huán)境條件下作為氣體、 液體（如熔融金屬）、 固體顆粒的過濾材料以及催化劑載體等[2]。
以下是使用國儀量子自研的V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀對碳化硅陶瓷材料的表征案例。測試前，樣品均在200℃真空條件下加熱1小時(shí)進(jìn)行脫氣處理。在進(jìn)行BET方程計(jì)算時(shí)，對于介孔、大孔以及無孔材料，P/P0選點(diǎn)范圍為0.05-0.3；對于微孔材料或者含有微孔結(jié)構(gòu)的材料，其P/P0選點(diǎn)范圍一般會(huì)前置（大多數(shù)在0.01～0.1范圍）。從圖1可以看出，通過不同方法合成的SiC多孔陶瓷材料，其BET方程的P/P0選點(diǎn)在0.01～0.1，分別為60.24 m2/g，78.07 m2/g和106.74 m2/g，差異較大，研究者可以通過比表面積的測試結(jié)果來進(jìn)行基礎(chǔ)性能的預(yù)估；此外，結(jié)合性能測試，其比表面積的大小也能為其分析作用機(jī)理做一個(gè)參考。
圖1 SiC-01（左）、SiC-02（中）和SiC-03（右）的比表面積測試結(jié)果
除此之外，對其他碳化物陶瓷材料也做了相應(yīng)的表征，以下是對碳化鎢（WC）陶瓷材料的表征。由圖2可知，BET方程的P/P0選點(diǎn)在0.05～0.3，其比表面積較小，但也能通過比表面積測試，將其差異精準(zhǔn)的表征出來；此外，能對其生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性也做一個(gè)參考。
圖2 WC-1（左）、WC-2（右）的比表面積測試結(jié)果
（2）氧化鋁陶瓷材料表征案例...
（3）二氧化鈦陶瓷材料表征案例...
（4）真密度表征中的實(shí)際應(yīng)用案例...
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04國儀精測V-Sorb X800系列
國儀精測V-Sorb X800系列比表面及孔徑分析儀采用靜態(tài)容量法測試原理，具備自動(dòng)化操作，人性化的操作界面，簡單易學(xué)。產(chǎn)品技術(shù)通過機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技成果鑒定，被歐美高校、科研實(shí)驗(yàn)室選購使用，樹立了優(yōu)良的國產(chǎn)品牌形象。
全自動(dòng)比表面及孔徑分析儀V-Sorb X800系列
參考文獻(xiàn)：
[1] 李辰冉, 謝志鵬, 康國興, 等. 國內(nèi)外碳化硅陶瓷材料研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2020, 39(5): 1353-1370.
[2] 蔣兵, 王勇軍, 李正民. 多孔碳化硅陶瓷制備工藝研究進(jìn)展[J]. 中國陶瓷, 2012 (11): 1-3.