碳化矽（SiC）多孔陶瓷載體因其優異的熱穩定性、高機械強度及卓越的耐化學性，被廣泛應用於先進的膜過濾系統中。.
基於碳化矽（SiC）的陶瓷材料 特別適用於高溫過濾、廢水處理及化學加工等嚴苛環境。然而，傳統的碳化矽（SiC）陶瓷需要極高的燒結溫度（>2000°C），這限制了其大規模工業生產。.
為應對這項挑戰，採用玻璃添加劑進行的低溫液相燒結已成為一種有效的解決方案。.
SiC 陶瓷的低溫燒結策略
在本研究中，一項 含鋯玻璃釉料 從低成本頁岩中提煉而成的物質被引入作為燒結助劑，用以促進液相結合並顯著降低燒結溫度。.
玻璃釉料是透過將頁岩原料在 1500°C 下熔融而製成，形成一種含有以下成分的多氧化物玻璃體系：
- SiO₂、Al₂O₃、CaO（網格結構）
- ZrO₂（提升耐腐蝕性）
- Fe₂O₃、MgO、Na₂O、K₂O（增強燒結活性）
此方法可使碳化矽陶瓷在 1100–1250°C, 從而大幅降低能源消耗。.
原材料與製造製程
原料系統
- 碳化矽（SiC）粉末（純度 99.5%，D50 ≈ 15.1 μm）
- 含鋯玻璃釉料（低溫燒結添加劑）
- 石墨顆粒（D50 ≈ 19.4 μm，成孔劑）
- 羧甲基纖維素（CMC，黏合劑）
處理步驟
- 將碳化矽粉末、玻璃釉料和石墨按設計比例混合
- 使用 0.5% CMC 溶液進行球磨（30 分鐘）
- 乾燥與造粒
- 在 30 MPa 下的單軸壓製
- 在 1100–1250°C 下燒結 3 小時
最終產品是一種具有穩定互連孔隙網絡的多孔 SiC 陶瓷載體。.
微結構與性能表徵
1. 孔隙率控制
透過調整玻璃熔塊和石墨的含量，可有效控制孔隙率：
- 孔隙率：約 30%–40%
- 均勻且相互連通的孔隙結構
- 穩定的孔徑分佈
石墨在燒結過程中會燃盡，形成連續的開放通道，從而提高滲透性。.
2. 機械強度
在最佳化條件下（20% 玻璃釉料、15% 石墨，於 1180°C 燒結）：
- 彎曲強度： 67.1 MPa
- 強度與孔隙率的平衡關係
- 穩定的結構完整性
玻璃相能改善顆粒間的結合，並增強結構穩定性。.
3. 相組成分析
X射線衍射結果顯示：
- 主相：SiC
- 存在微量玻璃相
- 未觀察到任何破壞性次級相
這證實了液相燒結是致密化機制中的主導因素。.
4. 微觀結構（掃描電子顯微鏡觀察）
微結構分析顯示：
- SiC 顆粒的均勻分布
- 顆粒間的玻璃相鍵結
- 結構完善且相互連通的孔道網絡
- 平均孔徑： 1.37 微米
此結構非常適合用於膜過濾應用。.
5. 滲透率與水通量
經優化的多孔 SiC 載體具有以下特點：
- 平均孔徑：1.37 μm
- 純水通量： 8075 L/(m²·h·bar)
這顯示出微濾系統具備卓越的滲透性能。.
6. 耐酸鹼腐蝕性
在極端條件下評估了化學穩定性：
- 酸性環境：pH = 0（H₂SO₄，80°C）
- 鹼性環境：pH = 14（NaOH，80°C）
- 浸泡時間：24 小時
結果：
- 經酸處理後的彎曲強度保留率： 47.4 MPa（損失 29.4%）
- 經堿處理後的彎曲強度保留率： 46.7 MPa（損失 30.41 TP3T）
含有 20% 玻璃釉料的樣本展現出最佳的整體化學穩定性。.
多孔碳化矽陶瓷支撐體的主要優勢
- ✔ 低溫燒結（1100–1250°C）
- ✔ 高孔隙率（約 36%）
- ✔ 高彎曲強度（67.1 MPa）
- ✔ 超高水通量（8075 L/m²·h·bar）
- ✔ 優異的耐酸鹼性
- ✔ 低成本原料（頁岩衍生玻璃釉料）
工業應用
多孔碳化矽（SiC）陶瓷載體廣泛應用於：
- 工業廢水處理膜
- 高溫氣體過濾系統
- 化學分離與純化裝置
- 催化劑支撐結構
- 精密微濾膜
總結
本研究提出了一種具成本效益的方法，利用源自頁岩的鋯玻璃熔塊作為燒結助劑，來製備多孔 SiC 陶瓷支撐體。.
主要成果包括：
- 燒結溫度顯著降低
- 提升孔隙結構的可控性
- 機械性能與滲透性均有所提升
- 對酸性和鹼性環境具有極強的耐受性
這項技術為碳化矽（SiC）陶瓷膜支撐體在嚴苛操作條件下的大規模工業應用，開闢了一條極具前景的發展途徑。.
