鎂橄欖石質隔熱材料的制備及其性能研究

鄧承繼，周 亮，祝洪喜，丁 軍

（武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地，湖北武漢，430081）

鎂橄欖石（Mg2SiO4）是島狀結構的硅酸鹽礦物，具有強度高、熔點高（1 890℃）、化學和礦物穩(wěn)定性好、熱導率低（為純氧化鎂的1／3～1／4）等特點，且材料呈弱堿性，與大多數(shù)堿性耐火材料具有良好的相容性[1－4]。因此，利用鎂橄欖石制備高溫隔熱材料是比較理想的。目前鎂橄欖石質材料主要是由鎂質原料在高溫下合成[5－7]，或者通過溶膠－凝膠法合成[8－10]。隨著菱鎂礦等鎂質耐火材料原料的日益緊張，存儲量豐富的天然鎂橄欖石逐漸成為人們關注的熱點[11]。

目前在工業(yè)熱工設備高溫部位使用的保溫隔熱材料主要是通過發(fā)泡法或吹真空法制得的輕質、多孔、熱導率低的材料[12]。這些方法需要較高的反應溫度，成本較高。熔鹽法是近代發(fā)展起來的一種無機材料合成方法，該方法采用一種或數(shù)種低熔點的鹽類作為反應介質，試樣在高溫熔融鹽中完成合成反應，反應結束后，將熔融鹽冷卻，采用合適的溶劑將鹽類溶解，過濾、洗滌后即可得到合成產(chǎn)物。熔鹽法利用熔鹽介質提供的液態(tài)環(huán)境，使得由擴散控制的固相反應之均勻性和反應速率都得到明顯提高[13]。本研究采用熔鹽法，以存儲量豐富的天然鎂橄欖石為原料，制備了鎂橄欖石質隔熱材料，并研究燒結溫度和熔鹽含量對材料性能的影響。

1 實驗

以湖北宜昌鎂橄欖石細粉（320目，化學成分見表1）為原料，分別添加33.3%、40%、50%、60%和66.6%的NaCl（分析純），外加3%熱固性酚醛樹脂為結合劑進行配料。將配制好的混合料置于行星式球磨機內混料3 h，在80 MPa壓力下壓制成φ36 mm×36 mm的圓柱試樣，按NaCl配比從低到高依次編號為1?！?＃，于110℃下干燥24 h后，分別在1 000、1 100、1 150℃下燒成，保溫10 h。將燒成后的試樣置于100℃的水中進行處理，使試樣中的鹽溶于水中，并收集水溶液中的鹽。用排水法測定試樣的顯氣孔率和體積密度，在萬能材料試驗機上測定其常溫耐壓強度，用X射線衍射儀（Philips X’Pert Pro）分析其物相組成，用掃描電鏡（Philips XL30 TMP）觀察試樣的顯微結構。

表1 鎂橄欖石的化學組成（wB／%）Table 1 Chemical compositions of forsterite

2 實驗結果與分析

2.1 力學性能

圖1顯示了不同燒結溫度和熔鹽含量對試樣顯氣孔率、體積密度和耐壓強度的影響。由圖1中可見，隨著燒結溫度的升高，試樣的顯氣孔率逐漸降低，體積密度逐漸增大，耐壓強度逐漸升高；隨著熔鹽含量的增加，試樣的顯氣孔率逐漸增大，體積密度逐漸減小，耐壓強度逐漸降低。

圖1 不同熔鹽含量試樣燒結后的力學性能Fig.1 Effect of firing temperature and mass ratio of molten salt on properties of samples

對隔熱材料而言，在保證一定耐壓強度的情況下，增大材料的顯氣孔率、降低其體積密度有利于提高材料的隔熱性能，材料內微孔數(shù)量越多、氣孔分布越均勻，其隔熱性能越好[13]。NaCl的熔點為801℃，本實驗選用的燒結溫度為1 000、1 100、1 150℃，鎂橄欖石在NaCl形成的液相環(huán)境中進行燒結，通過燒結一方面促進鎂橄欖石晶體的形成長大，另一方面也使燒結體內氣體逐漸排出，使試樣致密化；試樣中NaCl基本不參與反應，熔融后一部分由于重力作用流出，另一部分通過水處理后溶于水中，其占據(jù)的空間就形成氣孔。從圖1中可以看出，燒結溫度為1 000℃和1 100℃時，試樣的性能變化不明顯；當燒結溫度升至1 150℃時，由于燒結作用明顯，試樣的顯氣孔率明顯降低、體積密度明顯增大，可以推測當燒結溫度高于1 150℃時，制得的試樣更加致密，會使試樣的隔熱性能明顯降低。因此，較佳的燒結溫度為1 100℃。由圖1中還可看出，熔鹽含量增加，試樣的顯氣孔率增大；但若熔鹽含量過高，鎂橄欖石骨架不易形成，會降低試樣的耐壓強度。因此，較佳的熔鹽含量為50%。

2.2 顯微組織與物相分析

圖2所示為3＃試樣在不同溫度下燒結后的低倍顯微結構照片。從圖2中可見，1 000℃下燒結的試樣結構疏松，氣孔較大且分布不均勻；1 100℃下燒結的試樣氣孔較多且分布均勻，形成的鎂橄欖石骨架也較好，適合做隔熱材料；1 150℃下燒結的試樣比較致密，氣孔數(shù)量較少。

圖2 3＃試樣在不同溫度下燒結后的顯微結構照片F(xiàn)ig.2 SEM images of sample sintered at different temperatures

圖3 1 100℃下燒結后3＃試樣的高倍顯微結構照片F(xiàn)ig.3 High magnification SEM image of sample sintered at 1 100℃

圖3～圖5所示分別為1 100℃下燒結后3＃試樣的高倍顯微結構照片、XRD圖譜和能譜圖。由圖3中可以看出，試樣中主要的晶體形態(tài)是規(guī)則的八面體。從圖5中可以看出，較小晶體（圖3中目標Ⅰ點）的元素成分為Mg、Si和O，其原子比為25.89%、14.03%和60.08%，與Mg2SiO4接近；較大晶體（圖3中目標Ⅱ點）的元素成分為Mg、Si、Fe和O，其原子比為31.55%、18.71%、1.43%和48.32%。由于Mg2＋和Fe2＋的半徑和結構因素相近，因此Mg2＋和Fe2＋可以互相取代形成（Mg·Fe）2[SiO4]，結合圖4可以看出，在1 100℃下燒結后3＃試樣中的主要物相為Mg2SiO4，表明制備的隔熱材料中起支撐作用的是Mg2SiO4基體。

圖4 1 100℃燒結后3＃試樣的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of sample sintered at 1 100℃

圖5 1 100℃燒結后3＃試樣的能譜圖Fig.5 EDS analysis of sample sintered at 1 100℃

3 結論

（1）以天然鎂橄欖石為原料，NaCl為介質，采用熔鹽法制備鎂橄欖石質隔熱材料時，NaCl熔融后提供液相燒結環(huán)境促進了鎂橄欖石的燒結，同時通過水溶液處理后NaCl溶于水中，其占據(jù)的空間形成了氣孔。熔鹽含量為50%時制得的鎂橄欖石質材料性能較好。

（2）適當提高燒結溫度有利于提高材料性能，但燒結溫度過高會使材料過于致密，不利于提升其隔熱性能；1 100℃下燒結制得的試樣性能較好，鎂橄欖石骨架結合更好、氣孔小、氣孔分布更均勻，適合做鎂橄欖石質隔熱材料。

[1] Tavangarian F，Emadi R.Synthesis of nanocrystalline forsterite（Mg2SiO4）powder by combined mechanical activation and thermal treatment[J].Materials Research Bulletin，2010，45：388－391.

[2] Grishin N N，Belogurova O A，Ivanova A G.Experimental and theoretical study of heat consumption and its influence on heat resistance of forsterite refractories[J].Refractories and Industrial Ceramics，2003（12）：4－15.

[3] 霍素珍.具有發(fā)展前景的耐火原料—鎂橄欖石[J].耐火材料，2001，35（2）：79－80.

[4] 張顯，馬林，楊興華.增孔劑對鎂橄欖石質隔熱耐火材料結構和性能的影響[J].硅酸鹽通報，2001（5）：55－58.

[5] Li J，Wang Q，Liu J H.Study on synthesis mechanism of magnesium ferrite by non isothermal kinetics[J].Materials Science and Technology Conference and Exhibition，2009，2：838－845.

[6] Cunha－Duncan F H，Balmori－Ramirez H，Sorrell C C.Synthetic spinel－forsterite refractory aggregates from the sillimanite minerals[J].Minerals and Metallurgical Processing，2003，20（1）：143－152.

[7] Cheng T W，Ding Y C，Chiu J P.A study of synthetic forsterite refractory materials using waste serpentine cutting[J].Minerals Engineering，2002，15：271－275.

[8] Afonina G A，Leonov V G，Popova O N.Production of forsterite powder using sol－gel technology[J].Glass and Ceramics，2005，62（7）：248－252.

[9] Andrianov N T，Strel－nikova S S，Dyagilets M D.Forsterite ceramics based on sol－gel powders[J].Glass and Ceramics，2004，61：16－18.

[10] Sanosh K P，Balakrishnan A，F(xiàn)rancis L.Sol－gel synthesis of forsterite nanopowders with narrow particle size distribution[J].Journal of Alloys and Compounds，2010，495（1）：113－115.

[11] Tseng R C，Chu H S.The effects of PE additive on the performance of polystyrene vacuum insulation panels[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52（13）：3 084－3 090.

[12] Li Z S，Zhang S W，Lee W E.Molten salt synthesis of La AlO3powder at low temperatures[J].Journal of the European Ceramic Society，2007，27（10）：3 201－3 205.

[13] Schulle W，Schlegel E.隔熱耐火材料內部熱傳遞問題及其發(fā)展[J].柏平舟，譯.國外耐火材料，1991，16（3）：40－46.