燒結(jié)溫度對(duì)不同晶型氧化鋁微粉制備莫來石材料性能的影響

譚俊峰 李遠(yuǎn)兵 王海路 李淑靜 李仕祺

1）湖南新天力科技有限公司 湖南長(zhǎng)沙410021

2）武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢430081

在三元鋰離子電池正極（LNCM）材料的工業(yè)生產(chǎn)過程中，作為耐火窯具的匣缽因其服役過程中受侵蝕而損毀，需經(jīng)常替換，因此用量很大［1-3］。莫來石熱膨脹系數(shù)較小，且具有良好的抗熱震性和較低的熱導(dǎo)率。此外，莫來石還具有耐火度高、介電常數(shù)低、介電損耗小、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，常作為匣缽材料被用于制備LNCM材料［4］。但由于服役環(huán)境惡劣，匣缽的循環(huán)壽命并不長(zhǎng)，頻繁更換增加了LNCM材料的生產(chǎn)成本［5］。

為此，本工作中從降低莫來石匣缽的生產(chǎn)成本和提高耐侵蝕性能兩個(gè)方面篩選了廉價(jià)的原材料。因藍(lán)晶石為鋯英石的伴生礦，價(jià)格低廉，并且其中含有的鋯英石具有良好的耐腐蝕性能［6］。因此，以藍(lán)晶石和不同晶型氧化鋁為原料，分別制備了鋯英石含量相同的莫來石材料。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

本試驗(yàn)中所用原料的化學(xué)組成與粒度見表1。

表1 原料的化學(xué)組成和粒度

1.2 試樣制備

按照m（藍(lán)晶石）∶m（Al2O3微粉）＝74.57∶25.43的方案進(jìn)行配料，按照相同的比例分別配三組，其中試樣α、試樣ρ、試樣γ中加入的氧化鋁微粉分別為α-Al2O3、ρ-Al2O3和γ-Al2O3。配好的三組物料都按照下述相同的步驟分別進(jìn)行處理：先將配好的原料放入行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，m（球）∶m（料）∶m（水）＝1.2∶1∶1，烘干后粉碎倒入混料機(jī)中，外加3.5%（w）的聚乙烯醇結(jié)合劑進(jìn)行混料，之后困料8 h；接著用直徑為36 mm的模具在85 MPa下對(duì)物料進(jìn)行機(jī)壓成型并脫模，在110℃烘24 h；最后使用高溫爐分別在1 300、1 400、1 500和1 600℃保溫3 h對(duì)試樣進(jìn)行燒結(jié)。

1.3 性能檢測(cè)

按GB／T 2997—2000檢測(cè)1 400℃燒后試樣的顯氣孔率和體積密度，按GB／T 5072.2—2004檢測(cè)燒后試樣的常溫耐壓強(qiáng)度，按GB／T 5988—2007檢測(cè)燒后試樣的線變化率。利用X射線衍射分析儀分析試樣的物相組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度對(duì)試樣物相組成的影響

圖1示出了不同燒結(jié)溫度燒后試樣的XRD圖譜。

圖1 不同溫度燒后試樣的XRD圖譜

由圖1可知，燒結(jié)溫度的升高有利于莫來石相的生成，1 600℃燒后試樣的莫來石相特征峰峰值最高。以α-Al2O3為鋁源，其在1 500℃即可與藍(lán)晶石中的SiO2完全反應(yīng)，并在1 600℃與鋯英石發(fā)生反應(yīng)，生成莫來石和氧化鋯；分別以ρ-Al2O3和γ-Al2O3為鋁源時(shí)，在1 600℃與藍(lán)晶石中的SiO2完全反應(yīng)，但并不能與鋯英石發(fā)生反應(yīng)。

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)試樣物理性能的影響

圖2示出了燒結(jié)溫度對(duì)試樣線變化率的影響。隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的燒后線變化率呈下降趨勢(shì)。隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣中固相間的反應(yīng)更加完全，擴(kuò)散系數(shù)也更大，莫來石材料的燒后線收縮率也更大。

圖2 不同燒結(jié)溫度對(duì)試樣燒后線變化率的影響

圖3示出了不同燒結(jié)溫度下試樣顯氣孔率和體積密度的變化。從圖中可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的顯氣孔率下降，體積密度升高。由于不同鋁源的反應(yīng)程度不同，因此以α-Al2O3為鋁源制備的試樣料相較于以ρ-Al2O3和γ-Al2O3作為鋁源的試樣具有更高的體積密度和更低的顯氣孔率。

圖3 不同燒結(jié)溫度對(duì)試樣顯氣孔率與體積密度的影響

圖4示出了不同燒結(jié)溫度對(duì)試樣常溫耐壓強(qiáng)度的影響?？芍?，材料的致密度和反應(yīng)程度的高低對(duì)材料的耐壓強(qiáng)度具有較大的影響，具體表現(xiàn)為以α-Al2O3為鋁源制備的試樣由于在不同溫度燒后的體積密度都較高且其反應(yīng)更加充分，因此其具有較高的耐壓強(qiáng)度。

圖4 不同燒結(jié)溫度對(duì)試樣常溫耐壓強(qiáng)度的影響

綜合以上分析可知，以α-Al2O3為鋁源制備莫來石材料相對(duì)于其他兩者是較好的選擇。

3 結(jié)論

當(dāng)α-Al2O3為鋁源時(shí)，與藍(lán)晶石為原料制備的莫來石材料在1 600℃燒后生成較多的莫來石相，同時(shí)含有少許氧化鋯相，且其具有更高的耐壓強(qiáng)度。