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    伊利石-高嶺土-鋁礬土體系陶瓷材料制備工藝的研究

    發布日期:2014年2月3日

    傳統的礬土質瓷是以熟鋁礬土為主要原料的“K2O -Al2O3-Si02”系統陶瓷材料,Al2O3含量為60 - 65%(質量分數),具有機械強度高、屯絕緣性能好、耐磨性能好等優點,廣泛應用于高強度高壓電瓷、機械、石油、化上等領域。熟鋁礬土是由天然鋁礬上礦物經過混料、細磨、成球、煅燒、再細磨等工藝制得。由于熟鋁礬上的生產能耗高、成本高、有一定的環境污染,導致傳統礬土質瓷生產存在原料成本高、泥料可塑性不足等問題。本文是研究直接以生鋁礬土為主要原料的“鋁礬土-伊利石-高嶺土”系新型礬土質瓷的制備工藝,為礬土質瓷生產開辟一條新的途徑,以達到降低礬土質陶瓷材料生產成本、減少環境污染的日的。

    實驗過程

    原料和配方

    實驗原料的化學組成如表1所示。

    為了研究配方變化對材料性能的影響,實驗設計的配方范圍(wt%)為:生鋁礬土62 - 66%、高嶺土8- 12%,伊利石26%,滑石O-3%。

    試樣的制備

    按配方配料,然后按料:球:水(wt%)=1:2:1 的比例在以剛玉球為研磨介質的球磨罐中球磨,球磨時間20 - 40min,平均粒度2.8 - 4.1 um,然后在烘箱中烘干,再經過造粒后,在31MPa下干壓成型為試條,試條經打磨修坯,干燥后放入電爐中在不同的燒成制度下燒成,冷卻后得到試樣。

    試樣的測試

    采用日本理學D/max-3C自動X衍射儀對試樣進行物相分析。采用日本電子JSM-6460型掃揣電鏡分析試樣的品微結構。英國馬爾文M astersizer M icro粒度儀進行物料粒度分析。湖南湘潭儀器儀表有限公司SGW數顯工程陶瓷彎曲強度試驗儀測試試樣抗彎強度。

    分析與討論

    滑石的加入量對試樣性能的影響

    滑石里含有大量的Mg0,是一種很好的燒結助劑,有利于降低高鋁質陶瓷的燒結溫度、提高強度。本試驗研究廠配方中生鋁礬土,伊利石,高嶺土的量不變的條件下,外加O -3%的滑石對坯體的燒結溫度、抗彎強度的影響。實驗配方見表2。1320℃保溫0.5小時燒后試樣的性能見表3。

    由表2、表3數據可以看出,在燒成條件一定的條件下,滑石的添加量從O增加到3%,試樣的吸水率逐漸降低,收縮率逐漸增大、體積密度增大,抗彎強度呈先逐漸增大,后降低的趨勢,外加2%配方C1抗彎強度到達最高值115.50 MPa,3%時,抗彎強度下降到 87.38M Pa。添加量從O增至1%對性能的影響最為顯著,吸水率從4.83%減小為0.94%,收縮率從8.45%增加到11.75%,體積密度從2.56g/cm3增大到2.74g/cm3,抗彎強度由76.42MPa增大到101.73MPa,提高幅度達 33%,可見添加少量的滑石對試樣的吸水率、收縮率和體積密度影響顯著,能始著降低試樣的燒結溫度。

    產生這種現象的原因主要是:根據表1原料的化學組成,不 加滑石的A1配方基本屬于“K2O-A L203-si02”三元系統,滑石 中含有32.58%的Mg0成分,屬于熔劑性氧化物,滑石的引入使系 統轉化為“K2O-MgO-Al2O3-Si02”四元系統,最低共熔點進一步 降低,液相量隨溫度的升高增加速率加大,促進了燒結過程的進行;當滑石的添加量到達3%(D 1)時,產生的高溫熔融液太多,且其周邊的莫米石晶體溶解、侵蝕作用明顯,降低廠晶相的含量,雖然密度較2%(CI)時略有增加,但抗彎強度明顯降低。圖1是CI和D1的XRD圖譜,可見D1的莫來石明顯較少。

    2.2生鋁礬土的含量對試樣的燒結溫度、抗彎強度的影響

    選擇抗彎強度較高的CI配方為研究對象,變化配方中生鋁礬土的含量,研究增加生鋁礬土的含量同時降低高嶺上的含量對試樣的燒結性能好抗彎強度的影響。配方設計見表4。圖2是C1,C2和C3的燒結曲線(收縮率、吸水率和溫度的關系)圖,從圖中看出,C1、C2和 C3分別在1320℃- 1340℃,1330℃- 1350℃和1340℃ - 1360℃時有較小的吸水率和最大的收縮率,即達到了燒結溫度。配方C1、C2和C3的變化規律是生鋁礬土含量依次增加,高嶺上含量依次減少,即隨著生鋁礬土含量的增加,試樣的瓷化溫度也會隨之上升。分析原因,根據表1生鋁礬土與高嶺土相比Al2O3含量較高,堿金屬、堿土金屬等熔劑性氧化物含量較低,所以試樣的燒結溫度隨生鋁礬土含量增加而提高。

    圖3為C1,C2,C3試樣的抗彎強度隨溫度變化的曲線,從圖中看出,C1,C2,C3的抗彎強度隨溫度的升高都出現先增大后減小的趨勢,都在燒結狀態下的抗彎強度最高,且在燒結狀態下的抗彎強度的大小順序為C3>C2>C1,即隨著生鋁礬土含量的增加而增大, C1在1320℃達到最高強度115.50MPa,C2在1330℃ 達到最高強度127.54MPa,C3在1340℃達到最高強度 139.22MPa。分析原吲原因,生鋁礬土的礦物組成主要是水鋁石和少量的高嶺石,在加熱至1320℃以上轉化為剛玉和少量的莫米石晶體;高嶺上在1320℃以上轉變為莫米石晶體。燒結后試樣中的剛玉含量隨生鋁礬土含量的增加而提高;又因為剛玉晶體的彎曲強度為450M a,高于莫來石晶體的彎曲強度IOOMPa,所以,試樣的抗彎強度隨配方中生鋁礬土的含量增加而增大。

    燒成溫度選擇對抗彎強度的影響

    圖3中還可以看出,配方相同的條件下,燒成溫度選擇在燒結的初期(燒結溫度范圍的下限附近)試樣的抗彎強度最高,而后隨燒成溫度的提高試樣抗彎強度逐漸降低。如C3試樣1340℃時的抗彎強度最高達139.22MPa, 1350℃、1360℃、1370℃時依次降低為136.78M Pa、 134.60M Pa、128.80M Pa。分析原因,試樣在燒結初期品相較多而玻璃相較少,而隨著溫度的進一步升高,試樣巾的部分品相被熔融轉化為玻璃相,而玻璃相的抗彎強度低于剛玉、莫來石等晶體的抗彎強度。所以,試樣的抗彎強度在達到燒結溫度后隨燒成溫度的升高而逐漸降低。

    原料細度對試樣性能的影響

    為了研究原料細度對材料性能的影響,選擇C3配方通過控制球磨時間調整原料的細度,得到C31、C32、 C33三種不同細度的坯料,同時在1340℃保溫0.5小時的條件下燒成,燒后試樣C31和C33的SEM照片如圖4 和圖5。圖5中的晶粒平均尺寸小于圖4,與原料的加上細度基本一致。試樣的性能測試結果見表5,從表5中可以看出,隨著原料平均粒度的降低,試樣的吸水率逐漸減小,收縮率逐漸增大,抗彎強度也逐漸增大。

    分析原因,陶瓷材料是采用粉料燒結的方法制造的,粉料的粒度越小,單位質量粉料的表面積越大,顆粒間的擴散距離短,容易致密化,僅需較低的燒結溫度,另外,粉料的粒度越小,缺陷越多,表面能越高,活性也越大,叫促進燒結,又因為小的晶粒還能妨礙微裂紋的發展,有利于提高強度和斷裂韌性,所以,隨著原料平均粒度的降低,燒后試樣的品粒尺寸會變小,收縮率會越來越大,試樣的吸水率會越來越小,抗彎強度也會越來越大。

    結論

    (1)在所研究的范圍內,在1320℃- 1360℃下能夠制備抗彎強度110O - 140MPa的高強度陶瓷材料,且陶瓷材料的燒結溫度隨鋁礬土含量的增加而升高,材料在燒結范圍內的抗彎強度也隨鋁礬土含量的增加而升高。

    (2)生鋁礬上,伊利石,高嶺土的質量分數分別為62%,2 6%,12%時,外加適宜的滑石有助于陶瓷材料的抗彎強度的提高以及瓷化溫度的降低,最件添加量為 2wt。

    (3)配方相同的條件下,燒成溫度選擇在燒結溫度范圍的下限附近燒成試樣的抗彎強度最高,而后隨燒成溫度的提高試樣抗彎強度逐漸降低。

    (4)降低原料的顆粒細度能夠促進燒結并提高材料的抗彎強度。配方:生鋁礬上66%,伊利石26%,高嶺上8%,外加2%滑石;原料平均粒度2.802um試樣在1340℃保溫0.5小時的條件下燒后抗彎強度達到139.22MPa。

    本文摘自 《中國陶瓷》

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