堿金屬氧化物對莫來石陶瓷性能影響的研究

史金鑫+方仁德+楊華亮+梁章發(fā)

摘 要：本文以粘土、氧化鋁粉及硅酸鋯等原料為基礎(chǔ)配方，在陶瓷成型過程中，以羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）和羧甲基纖維素鉀（CMC-K）為添加劑，考察堿金屬氧化物對陶瓷結(jié)構(gòu)和性能的影響。為了進(jìn)行對比分析，成型添加劑還選用了PVA，分別為：2.5%的PVA 、2.5%的CMC-Na和2.5%的CMC-K，試驗結(jié)果表明：當(dāng)添加劑為PVA時，燒結(jié)體的玻璃相含量較低，晶體呈短柱狀，抗彎強(qiáng)度為20.1 MPa，高溫蠕變檢測時位移變化量為1.836 mm，位移變化率為3.06%；當(dāng)添加劑為CMC-Na時，燒結(jié)體的玻璃相含量較高，晶體呈長柱狀，抗彎強(qiáng)度為21.6 MPa，高溫蠕變檢測時位移變化量為3.540 mm，位移變化率為6.37%；當(dāng)添加劑為CMC-K時，燒結(jié)體的玻璃相含量最低，晶體呈長針柱狀，并交錯呈網(wǎng)狀，抗彎強(qiáng)度為25.3 MPa，高溫蠕變檢測時位移變化量為0.310 mm，位移變化率為0.52%。

關(guān)健詞：莫來石；堿金屬氧化物；高溫蠕變

1 引言

莫來石-剛玉質(zhì)復(fù)相陶瓷因同時具有莫來石相熔點高、熱膨脹系數(shù)低、抗蠕變、抗熱震和剛玉相彈性高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化及高溫蠕變速率低等特點，使得其性能優(yōu)越于純剛玉陶瓷和純莫來石陶瓷；剛玉莫來石質(zhì)陶瓷是在高溫下長期使用的耐火陶瓷，因為長期受荷重和熱負(fù)荷的作用，高溫蠕變是其最主要的性能指標(biāo)。

為了該陶瓷成型的實現(xiàn)，需要加入一定量的結(jié)合劑以保證成型的可行性，一般選用CMC-Na，這是因為CMC-Na在成型過程中不僅起著粘結(jié)作用，而且有賦形劑、可塑劑、增強(qiáng)劑等作用，這些性質(zhì)可增加坯料粘結(jié)力，使坯體易于成型，但CMC-Na中氧化鈉含量一般大于10%，這對陶瓷的性能影響較大，尤其是抗高溫蠕變性能；CMC-K與CMC-Na為一類纖維素添加劑，為了考察K和Na對陶瓷性能的影響，選用CMC-K進(jìn)行試驗。使用CMC-K后，陶瓷的強(qiáng)度略有提高，高溫蠕變速率顯著降低，這對于提高陶瓷的使用壽命具有十分重要的意義。

2 試 驗

2.1剛玉莫來石陶瓷的制備

根據(jù)原料及組成點的化學(xué)組成進(jìn)行配方計算，按照下列工藝過程制備試樣。

原料→配料→濕法球磨→干燥、造?！尚汀稍铩鸁?，細(xì)磨料全部過200目篩，加入一定量的添加劑，采用半干壓法壓制成型，成型壓力為30MPa，成型添加劑分別為，2.5%的PVA、2.5%的CMC-Na和2.5%的CMC-K，試樣編號分別為1#、2#和3#，試樣尺寸為： 50 mm × 10 mm × 5 mm。坯體干燥后，將各試樣在硅鉬棒爐中于1660℃保溫6 h 燒成，停止加熱后隨爐溫自然冷卻。

2.2陶瓷的性能表征

采用阿基米德法測試燒結(jié)體的吸水率、孔隙率和體積密度，利用Y-4型的X射線衍射儀分析試樣的晶相；采用JM-6460LV型掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷面微觀形貌；利用三點彎曲法測量燒結(jié)體的抗折強(qiáng)度，并通過HMOR-STRAIN1TP高溫蠕變彈性模量測定儀測量燒結(jié)體的高溫蠕變位移變化量和位移變化率。

3 結(jié)果與討論

3.1 試樣的燒結(jié)狀況

添加劑為PVA時，燒結(jié)體的吸水率為15.1%，添加劑為CMC-Na時，燒結(jié)體的吸水率為15.3%，而以CMC-K為添加劑的燒結(jié)體的吸水率為14.8%，對應(yīng)的體積密度分別為2.36，2.33和2.38，從中可以看出，CMC-Na和CMC-K均有助熔作用，但CMC-K為添加劑時，除造孔劑外，氧化鉀具有促進(jìn)莫來石生長的作用，晶體發(fā)育良好，填充在空隙中，因此吸水率較低，體積密度較大。

3.2 不同粘結(jié)劑配方對燒結(jié)體的結(jié)構(gòu)影響

我們知道，高溫機(jī)械性能主要取決于顯微結(jié)構(gòu)特征，主要體現(xiàn)在液相的含量，氣相及晶相的含量及分布狀況，而最為重要的是晶相的含量和晶體的生長狀況，因此本文就不同添加劑對晶相和液相及其造成的性能影響進(jìn)行分析。

從表2可以看出，2#配方中的玻璃相含量較1#顯著提高，這是因為CMC-Na在燒成過程中，纖維素進(jìn)行分解，而鈉離子以游離的形式存其中，進(jìn)行反應(yīng)，在高溫下，鈉離子易與粘土中的二氧化硅及其他雜質(zhì)反應(yīng)，進(jìn)而形成玻璃相，而3#燒結(jié)體重的莫來石相含量較前兩個配方的稍高，是由于鉀離子具有降低形成莫來石晶?；罨芗按龠M(jìn)莫來石發(fā)育的作用[1]，因而在鉀離子的作用下，更多的莫來石晶核進(jìn)行建立，并迅速的發(fā)育成莫來石晶體，并且，莫來石晶核和剛玉相晶核相互聯(lián)結(jié)在一起，同時也促進(jìn)了剛玉相的發(fā)育。

結(jié)構(gòu)陶瓷在高溫熔融段，玻璃相的含量、粘度和對晶體的表面張力等影響著陶瓷的高溫性能，下面對以上三個粘結(jié)劑配方所燒制的陶瓷斷面掃面電鏡進(jìn)行分析。

從SEM照片可以看出，2#試驗樣品的非晶質(zhì)相的含量較高，晶體細(xì)小，氣孔較大主要是因為玻璃相含量較大，晶體發(fā)育不完全，尤其是莫來石相的含量，3#試驗樣品的玻璃相的含量較低，這是因為氧化鈉含量較低的緣故，而該試驗的晶體發(fā)育較好，氣孔較小，結(jié)構(gòu)致密，晶體呈長柱狀生長，這是由于氧化鉀促進(jìn)了莫來石的發(fā)育。

3.3不同粘結(jié)劑配方對燒結(jié)體的性能影響

從圖可以看出，三個試驗的抗彎強(qiáng)度分別為20.1MPa、21.6MPa和25.3MPa，以CMC-K為添加劑的試驗的強(qiáng)度最高，與前面的微觀結(jié)構(gòu)分析一致，晶體間接觸和結(jié)合的程度越高，晶體發(fā)育越好，結(jié)構(gòu)陶瓷的高溫力學(xué)性能越好。

為了全面的表征添加劑對性能的影響，本文對燒結(jié)體的高溫蠕變位移變化量和位移變化率進(jìn)行檢測。

從表3可知，試驗3的高溫蠕變速率最低，位移變化率僅為0.52%，說明堿金屬氧化物中的氧化鈉和氧化鉀對其性能影響巨大。一般為了改善耐火材料的蠕變性，采取最重要措施是改善耐火制品的化學(xué)礦物組成和結(jié)構(gòu)。為此，應(yīng)提高原料的純度，減少高溫下液相的生成量；提高液相的粘度，減弱對晶相的浸潤；增加直接結(jié)合率；控制和調(diào)節(jié)制品中的礦物成分，盡量形成高熔點礦相和良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。制造工藝對改善制品高溫蠕變性有很大關(guān)系。合理的粒度級配，加大成型壓力，適當(dāng)提高制品的燒成溫度、延長保溫時間，使制品中晶體發(fā)育良好、晶問結(jié)合牢固，是提高制品的高溫強(qiáng)度、降低蠕變的重要手段。下一步的研究工作將是結(jié)晶效應(yīng)和玻璃效應(yīng)對莫來石陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能的研究。

4 結(jié) 論

添加劑CMC-Na和CMC-K直接影響著莫來石陶瓷中的玻璃相含量，進(jìn)而影響陶瓷中微觀結(jié)構(gòu)和性能，且以CMC-K為添加劑的燒結(jié)體的晶體發(fā)育良好，結(jié)構(gòu)致密，抗彎強(qiáng)度高，高溫蠕變速率低，位移變化率僅為0.52%。

參考文獻(xiàn)

[1] 王金相，等. 氧化鉀和氧化鐵對燒結(jié)礬土（DK型）相組成的影響 [J].硅酸鹽學(xué)報， 1984， 12（1）： 77-78.