煤矸石是我国最大宗的工业固体废弃物,长期的露天堆积导致大量土地被占压,污染了水体、土壤和大气,对矿区的环境造成严重的危害,影响了人们的生命健康。随着科技的进步,煤矸石的综合利用有了较大的发展,应用范围不断扩大。通过对煤矸石中化学成分分析发现,其中主要的成份氧化硅和氧化铝与制备陶瓷的原材料相近,因此以煤矸石为原料制备多孔陶瓷,成为煤矸石资源化利用的新途径。多孔陶瓷是一种利用其孔隙结构获得优异的物理性能和力学性能的功能结构一体化材料,由于具有较高的显气孔率、均匀分布的微孔、有发达的比表面体积、耐高温、耐高压等优点,广泛应用于航空航天,医学、环保、建筑、石油化工等行业,在科学技术领域和国民建设中发挥这巨大作用。本文以淮南矿区煤矸石为主要原料,釆用添加造孔剂法和毛细管浆料法制备出了高气孔率、高强度的多孔陶瓷材料。主要研究了煤矸石的酸浸处理、烧成温度、保温时间、添加剂含量、莫来石纤维的添加量以及浆料的固相含量等对多孔陶瓷显气孔率、抗压强度、显微结构及物相等的影响。研究结果如下:1.制备陶瓷之前,研究了煤矸石原料的酸浸处理和煤矸石浆料的流变特性。(1)采用酸浸法对煤矸石的杂质含量进行控制,通过除铁率来表征杂质去除的效果。除铁率随着混酸浓度的增加而提高,当混酸浓度为5%HCl+21%H2SO4时,除铁率达到68.32%;之后,随着浓度的增加,除铁率几乎不再发生变化;(2)通过调节pH值和分散剂的添加量来获得高固相含量、低粘度的陶瓷浆料,随着pH值和分散剂含量的增加,浆料Zeta电位的绝对值呈先增大后减少的趋势,当pH值为10,聚羧酸分散剂的含量为0.1%时,Zeta电位的绝对值达到最大值56.75mV,此时,浆料的稳定性最好。2.采用添加造孔剂法制备多孔陶瓷,研究了以煤矸石中所含有的有机质为造孔剂制备多孔陶瓷的烧结工艺;再添加淀粉造孔剂进一步提高多孔陶瓷的显气孔率;并利用莫来石纤维改善了多孔陶瓷的高温收缩特性;最后以煤矸石为主要原料,配以适量氧化铝和氧化镁,低温制备了堇青石多孔陶瓷。(1)以煤矸石中所含有的有机质为造孔剂制备多孔陶瓷:对比了未经酸浸处理和酸处理后的煤矸石原料的烧结特性,随着烧结温度从1050℃升高到1300℃,酸处理煤矸石多孔陶瓷的抗压强度随烧结温度的升高由12.75 MPa增加到141.3MPa、显气孔率则由40.87%下降到9.21%;而未经酸处理的煤矸石多孔陶瓷,其抗压强度由31.60MPa增加至84.35 MPa(1250℃)后减小到50.10MPa,孔隙率则由35.72%下降到0.21%后增加到3.35%。这是由于煤矸石中的杂质在低温烧结时易形成固溶体活化晶格并产生液相,促进了烧结反应的进行。但是杂质含量过多时,在高温烧结时易产生大量的玻璃相和气泡,导致多孔陶瓷抗压强度急剧下降而显气孔率在降低到一定值后有所增加,因此必须采用有效的手段来控制煤矸石中的杂质含量。(2)以酸处理的煤矸石为原料制备出的多孔陶瓷显气孔率在50%以下,本文通过添加造孔剂的方法来进一步提高其显气孔率。1200℃煅烧后,添加60%的淀粉造孔剂可使多孔陶瓷的显气孔率由不加造孔剂时的24.55%增加到51.57%,此时多孔陶瓷的抗压强度为17.44mpa;并且随着造孔剂的含量由40%增加到70%,显气孔率由44.16%增加到55.54%。由此可见,添加造孔剂可显著提高多孔陶瓷的显气孔率。(3)为了改善多孔陶瓷的高温收缩性能,本文通过添加莫来石纤维来降低其高温烧结线性收缩率。在高温烧结过程中,随着烧结温度的增加,烧成收缩率逐渐增加,在1250℃时,烧成线性收缩率达到14.22%,显气孔率仅为48.57%,而当添加30%的莫来石纤维时,烧成线性收缩率仅为2.22%,此时的显气孔率达到65.62%。由此可见,莫来石纤维可有效降低多孔陶瓷的烧成收缩率,提高其显气孔率。(4)以煤矸石为原料,通过对多孔陶瓷孔隙结构和机械性能的调节以及对其制备工艺的探索研究,制备除了高孔隙率、高强度的多孔陶瓷,为了进一步提高煤矸石的资源化利用水平,通过配以适量氧化铝和氧化镁,在低温条件下制备出了具有低热膨胀系数和优良热振稳定性的堇青石多孔陶瓷。在烧结温度达到1200℃时,堇青石相开始出现,随着烧结温度和保温时间的增加,堇青石的含量逐渐增加,当温度达到1225℃,即可得到纯度较高的堇青石多孔陶瓷。相比于采用其他的原料制备的堇青石多孔陶瓷,其烧结温度降低了约100℃。3.为了进一步探索减少多孔陶瓷在干燥和烧成过程中收缩的工艺条件,本文探讨了一种新型的多孔陶瓷制备方法,即毛细管浆料法。先利用纯度较高的石英砂为原料,探索毛细管浆料法制备多孔陶瓷的工艺,然后利用此方法制备煤矸石多孔陶瓷。(1)以石英砂为原料,探讨助烧剂对多孔陶瓷烧结性能的影响,结果表明,助烧剂可以显著改善多孔陶瓷的烧结性能,并且三元助烧剂的效果优于二元系统。在不加助烧剂的情况下,1610℃时,多孔陶瓷的显气孔率为55.82%,而抗压强度为仅为0.83mpa,而添加(5%cao+3%al2o3+2%mgo)混合料为助烧剂,在1370℃时,多孔陶瓷的显气孔率和抗压强度分别达到40.14%和4.48mpa,极大的降低了烧成温度。(2)以煤矸石为原料,以过0.075mm方孔筛的细煤矸石和5%cao+3%al2o3+2%mgo混合料为助烧剂,在不同烧结温度的作用下,考察显气孔率和抗压强度的变化,结果表明5%cao+3%al2o3+2%mgo混合料的助烧效果明显优于细煤矸石,以混合料为助烧剂、1250℃烧结的样品,其抗压强度和显气孔率分别为20.71mpa和34.97%,而添加细煤矸石的样品,抗压强度和显气孔率分别为为0.75MPa和50.75%。但进一步增加助烧剂含量,对于提高烧结性能效果并不明显。