堇青石莫來石復(fù)合材料合成與制備

1、堇青石-莫來石復(fù)合材料的合成與制備秦夢黎摘要：本文闡述了堇青石-莫來石復(fù)合材料的合成與制備的方法，以及其在棚板、窯具、陶瓷方面的應(yīng)用。并且，結(jié)合這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題以藍(lán)晶石、滑石為原料制備出堇青石-莫來石復(fù)合材料。關(guān)鍵字：堇青石-莫來石復(fù)合材料，合成，應(yīng)用，窯具，陶瓷Abstract：This paper describes the cordierite - mullite composite material synthesis and preparation methods, and its application in the shed board, kiln furniture,

2、ceramics.And, combined with the advantages and disadvantages of these methods, the kyanite, talc as prepared cordierite - mullite composites.Key words:cordierite - mullite composites,synthesis,application,kiln furniture, ceramics引言 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國掀起了一場新技術(shù)革命，新材料作為一切新科技成就的基礎(chǔ)備受各國學(xué)者重視。陶瓷是人類生活中不可缺少的一種材料

3、，近年來隨著陶瓷生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，人們開發(fā)研制了各種高性能窯具來滿足陶瓷工業(yè)在研發(fā)陶瓷新材料方面的發(fā)展。 堇青石具有熱膨脹系數(shù)小、抗熱震穩(wěn)定勝好等優(yōu)點(diǎn)。但堇青石韌性較低、荷重軟化點(diǎn)低和合成溫度范圍窄(僅25)，僅在其熔點(diǎn)(1460)非常窄范圍內(nèi)才信鏡結(jié)，用傳統(tǒng)方法如不采用偏離堇青石組成或添加燒結(jié)助劑的方法，很難獲得致密的純相堇青石陶瓷，因而大大地限制了其優(yōu)良性能的發(fā)揮。而莫來石高溫性能好和機(jī)械強(qiáng)度高，將堇青石與莫來石復(fù)合是提高其高溫性能的有效措施。所以合成堇青石莫來石復(fù)合材料是開展此項(xiàng)研究的基礎(chǔ)之一。1 堇青石堇青石化學(xué)組成為2MgO·2A12O3·5SiO2，是一種硅酸鹽礦

4、物，在自然界中分布較廣，但含量較低，很少富集成礦。工業(yè)上所使用的堇青石大多為人工合成，具有開采價(jià)值的天然的堇青石大礦床至今沒有找到。表1-1為堇青石材料的性能，由于它具有較低的熱膨脹系數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性，抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)1-7，因而得到了廣泛的應(yīng)用。常作為抗熱震材料被廣泛應(yīng)用于汽車尾氣凈化裝置、催化劑載體、耐熱涂層、熱交換機(jī)材料、電子封裝材料、泡沫陶瓷、印刷電路板等，以及一些冷熱驟變的環(huán)境中，比如陶瓷換熱器、熱風(fēng)爐、匣缽、棚板、支柱磚等等8-15。表1-1 堇青石的性能Tab.1-1 The properties of cordierite2 莫來石莫來石莫來石是A12O3SiO2系中在標(biāo)準(zhǔn)大

5、氣壓下從室溫到高溫唯一穩(wěn)定的晶相，莫來石為斜方晶系，晶體中硅鋁氧結(jié)構(gòu)是由SiO4四面體連接成的雙鏈，連接一條條雙鏈的是六配位的鋁離子。由于莫來石的結(jié)構(gòu)為雙鏈狀排列，故它的晶體一般呈針狀、柱狀結(jié)構(gòu)，在一些高鋁質(zhì)，特別是電熔奠來石中可形成密集交錯(cuò)的針狀莫來石結(jié)晶網(wǎng)。性能：莫來石材料由于其優(yōu)越的性能:耐火度高、熱震穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、高溫抗蠕變性好、具有很高的耐磨性及耐剝落、耐侵蝕性等，其應(yīng)用極其廣泛。但天然存在的莫來石礦物很少，一般多采用人工合成的莫來石原料。表1-2 莫來石的性能Tab.1-2 The properties of mullite3 堇青石-莫來石復(fù)合材料 堇青石的熱膨脹系數(shù)小

6、(251 000下約為1×10-62×10-6-1)，抗熱震性和化學(xué)穩(wěn)定性好，但其耐火度較低，且在1470會發(fā)生分解,莫來石的耐火度高，熱膨脹系數(shù)大(4.5×10-6-1)。可見，堇青石與莫來石的膨脹系數(shù)相差較大，可在堇青石-莫來石復(fù)合材料中產(chǎn)生微裂紋而對材料的抗熱震性能有利16。 3.1 堇青石-莫來石復(fù)合材料的合成工藝 由于堇青石的生成溫度和分解溫度較為接近。也就是說堇青石的燒成范圍比較窄，在較低溫度下沒有明顯的堇青石生成，提高燒成溫度則會導(dǎo)致大量的玻璃相生成。所以，在莫來石-堇青石窯具生產(chǎn)中，為了減少玻璃相，提高窯具的熱穩(wěn)定性，便于生產(chǎn)中控制燒成過程，多選用

7、合成堇青石和合成莫來石作原料。在成型工藝上，由于注漿成型可采用高壓注漿成型、機(jī)壓成型?？紤]到燒成過程中窯車或輥棒的振動會引起窯具的形狀有變形，抗折強(qiáng)度下降，使窯具特別是棚板的使用效果明顯降低，窯具一般不在輥道窯和隧道窯中燒成，而多在梭式窯中燒成，燒成溫度一般為1380。采用臺成原料來生產(chǎn)莫來石一堇青石窯具工藝簡單、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、價(jià)格適宜，能滿足制品燒成的溫度和快速升降溫的要求，是現(xiàn)代建筑衛(wèi)生瓷耐火窯具發(fā)展的方向17。1.目前，國內(nèi)外對堇青石一莫來石質(zhì)窯具的研究已有不少，其制造方法一般可歸納為以下3種：(1)分別預(yù)合成堇青石和莫來石熟料，經(jīng)配料、成型后燒成；(2)先預(yù)合成莫來石熟料作為骨料，再在

8、基質(zhì)中原位生成堇青石；(3)直接原位合成堇青石一莫來石復(fù)合材料18。2.目前，堇青石一莫來石復(fù)相陶瓷材料最常見的制備方法主要有兩種：一種是采用高鋁熟料，用堇青石作結(jié)合相；另一種是采用堇青石熟料，用黏土作結(jié)合劑。但高鋁熟料和黏土的使用，在復(fù)相陶瓷材料中帶入了較多的雜質(zhì)，影響了材料的抗熱震性19。3.通過懸浮液分層法制備堇青石-莫來石復(fù)合材料 以高嶺土、氧化鋁和滑石作為生產(chǎn)堇青石的原材料。而高嶺土和氧化鋁被用于生產(chǎn)莫來石。將原始材料高溫性按特定化學(xué)計(jì)量的混合比例混合制成懸浮液（圖一）。4.通過加入預(yù)制的莫來石粉來制備堇青石-莫來石復(fù)合材料為了用預(yù)制的莫來石粉末生產(chǎn)堇青石-莫來石復(fù)合材料，首先，用高

9、嶺土和氧化鋁粉末合成莫來石粉末。開始將粉末在氧化鋯球形容器中在水中混合lh，然后在l450條件下焙燒4h20（圖二）5.溶膠凝膠法21使用納米原料可在1300下合成堇青石-莫來石復(fù)合相。 3.2 堇青石-莫來石復(fù)合材料的應(yīng)用 3.2.1 在窯具方面的應(yīng)用 窯具是在陶瓷產(chǎn)品和磁性材料的燒成工序中起支撐和保護(hù)作用的一種異型耐火材料，主要包括匣缽、棚板、墊餅、立柱和推板等。窯具的性能直接影響到陶瓷等被燒成對象的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。一般窯具材料應(yīng)具備以下基本性能：（1）高耐火性、良好的抗熱震性及化學(xué)穩(wěn)定性。現(xiàn)代陶瓷的燒成向快燒方向發(fā)展，抗熱震性顯得尤為重要；高溫化學(xué)穩(wěn)定性好的窯具不易與制品發(fā)生反應(yīng)。（2）

10、常溫和高溫強(qiáng)度大。窯具的作用之一就是承重，必須經(jīng)受住制品及窯具本身的負(fù)荷；高強(qiáng)度窯具材料可使窯具做得又輕又薄，以提高裝窯密度，改善制品質(zhì)量。（3）良好的導(dǎo)熱性和低蓄熱性。制品的生產(chǎn)趨向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗，燒成工藝趨向快速，這就要求窯具蓄熱少，傳熱快。（4）外觀規(guī)整，尺寸精確。產(chǎn)品燒成變形與匣缽$平整度有關(guān)；匣缽尺寸精確，有利于機(jī)械化操作，提高生產(chǎn)效22。窯具是用于支撐、保護(hù)陶瓷制品燒成的異型耐火材料，對陶瓷制品的質(zhì)量和陶瓷工業(yè)能耗有著極其重要的影響。隨著陶瓷工業(yè)燒成技術(shù)由傳統(tǒng)的匣缽燒成到明焰無匣燒成技術(shù)的轉(zhuǎn)變，對優(yōu)質(zhì)陶瓷窯具材料棚板的需求日益增加。堇青石雖熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好，但其荷重軟化溫

11、度低，適用溫度范圍小。莫來石、碳化硅等制品雖高溫性能好，但其成本高。利用紅柱石在高溫下的莫來石化作用，通過添加SiC及少量人工合成莫來石能明顯改變堇青石質(zhì)陶瓷窯具材料的組織結(jié)構(gòu)，提高高溫性能，降低窯具材料的成本23。堇青石和堇青石-莫來石質(zhì)窯具堇青石屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽。由于結(jié)構(gòu)中四面體聯(lián)結(jié)為特殊螺旋狀的六元環(huán)，故結(jié)構(gòu)中有較大空隙。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受熱時(shí)，可向空隙處振動，所以堇青石質(zhì)窯具有熱膨脹系數(shù)小和抗熱震性優(yōu)異的特點(diǎn)。但是，堇青石是一種不穩(wěn)定的化合物，在 分解為莫來石和玻璃相，且燒成溫度范圍狹窄，高溫性能較差。而莫來石材料耐火度高，高溫穩(wěn)定性好 。堇青石與莫來石兩者熱膨脹系數(shù)的失匹配，在兩相接口形成微裂

12、紋，使得材料具有優(yōu)良的抗熱震性及較好的高溫性能。因此，目前國內(nèi)外高檔陶瓷窯具普遍使用堇青石莫來石復(fù)合材料。 3.2.2 在棚板方面的應(yīng)用 棚板作為支撐瓷件的專用窯具，一直是陶瓷工業(yè)中一種重要的輔助材料，材質(zhì)多為抗熱震性好、高溫性能優(yōu)良的堇青石一莫來石復(fù)合材料。堇青石一莫來石棚板是以奠來石和堇青石為原料燒結(jié)而成的。其機(jī)理砸于由于堇青石的環(huán)狀結(jié)構(gòu)有較大的空隙使其具雨比莫來石小得多的熱膨脹系數(shù)，兩者的膨脹系數(shù)匹配，使得兩相界面形成微細(xì)裂紋，阻止了破壞性裂紋的擴(kuò)展，從而極大地提高了堇青石一莫來石棚板的熱穩(wěn)定性能24. 3.2.3 在陶瓷方面的應(yīng)用高嶺土為主要原料，探索合適的工藝制備用于過濾鋁液的泡沫陶

13、瓷。堇青石具有熱膨脹系數(shù)小、熱震穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但其高溫性能較差。利用原料中的高嶺土和部分Al2O3。微粉原位生成莫來石，形成堇青石-莫來石復(fù)相結(jié)構(gòu)，從而得到強(qiáng)度高、熱震性能好的泡沫陶瓷制品25。4 實(shí)驗(yàn)方案 4.1 實(shí)驗(yàn)原料表4.1 原料的化學(xué)組成(wt%)MgOAl2O3SiO2Fe2O3TiO2ZrO2滑石31.6362.380.15藍(lán)晶石0.7156.8436.351.21.083.17 4.2 實(shí)驗(yàn)配方表4.2 試驗(yàn)配方(wt%)123滑石63.2970.1476.49藍(lán)晶石36.7129.8623.51共磨后加入10%的水進(jìn)行混料。 4.3 工藝流程 試樣制備的基本工序是：稱料球磨

14、混料困料成型燒成檢測 （1）稱料分別按照表1,2的試驗(yàn)配方，用電子天平稱取兩種混合粉末（不加水），并將混合粉末置于振動磨中。 （2）球磨 然后放入震動球磨機(jī)中球磨3個(gè)小時(shí)，保證各種細(xì)粉進(jìn)一步細(xì)化和分布均勻。其中要將坩堝蓋要用橡皮圈密封好，以防球磨時(shí)混合料灑落。 （3）混料 將球磨罐中的研磨好后的漿料放到研缽中進(jìn)行研磨，在研磨期間加水，使混合料更充分的混合，并且過60目的篩子，然后進(jìn)行困料。 （4）困料 困料24小時(shí)，使混合料中的有機(jī)物等能夠充分反應(yīng)。 （5）成型 使用半自動的壓樣機(jī)，在25MPa下壓36×36mm的樣品。注意加壓的速度，太快或太慢使壓力不均，容易導(dǎo)致樣品開裂。 （6）

15、燒結(jié) 將樣品分別在1250、1300、1350下燒結(jié)，保溫5小時(shí)。 4.4 性能測試 （1）體積密度 （2）XRD物相定性分析 （3）耐壓強(qiáng)度參考文獻(xiàn)1 劉維良,先進(jìn)陶瓷工藝學(xué)M，武漢理工大學(xué)出版社，2004，248-2492 閆國迸，吳建峰，許曉虹,堇青石紅外輻射陶瓷材料的研制和應(yīng)用,陶瓷研究,2001，V0116，No4，3-53 阮玉忠，吳萬國，華金銘，于巖,堇青石窯具多晶結(jié)構(gòu)與性能研究田結(jié)構(gòu)化學(xué),1997，16(2)4 李智強(qiáng),低熱膨脹堇青石質(zhì)陶瓷材料制備與特性研究,碩士學(xué)位論文D,西安,西安理工大學(xué)，20055 AMMenchia，ANScianbMechanism of cordi

16、erite formation Obtained by the sol-gel techniqueJMaterials Letters，59(2005)：2664-26676 Sen Mei，Juan Yang，JME FerreiraMicrostructural evolution in sol-gel derived P205-doped cordierite powdersJJournal of the European Ceramic Society,20(2000)：2191-21977 Cristina Ghitulica，Ecaterina Andronescu，Oana Ni

17、cola，ADicea，Mihaela BirsanPreparation and characterization of cordierite powdelldJJournal of the European Ceramic Society,27(2007)：711-7138 李安明,論汽車尾氣凈化器載體材料的產(chǎn)業(yè)化R,國際建材高新論壇,38-399 劉富德等,蜂窩陶瓷的制備、性能及其應(yīng)用,佛山陶瓷,1999，V019，No510 王衛(wèi)君等,多孔陶瓷的應(yīng)用J江蘇陶瓷,1996，V0129，No1，33-3511 李金洪,新型環(huán)境礦物材料堇青石質(zhì)泡沫陶瓷的研制J,礦物學(xué)報(bào),2001，V0121

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