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高强度莫来石陶瓷微晶薄板的研究
高强度莫来石陶瓷微晶薄板的研究
大规格超薄干压瓷质微晶薄板尺寸可达到900 mm×1800 mm×5.5 mm, 重量只有普通墙地砖的 1/3～1/2, 可节约原料 40%～60%, 节约能源 30%～40%,减少烟气排放20%以上, 同时可大幅度降低建筑荷重。因此, 大规格超薄微晶板材的研究开发对建筑陶瓷行业的发展具有举足轻重的作用。然而, 大规格超薄瓷质砖因其面积大、厚度薄, 加工与使用中还存在着不少技术难题, 其中产品机械强度低的问题尤为突出。莫来石作为硅酸铝系统中唯一稳定的晶相,因具有抗热震稳定性好、强度高、荷重软化温度高以及较高的抗蠕变性等优良性能, 已经广泛应用于冶金、陶瓷、电子、光学和高温结构等领域。因此, 为了提高瓷质微晶薄板的强度降低产品成本, 本研究尝试采用粉煤灰和铝矾土等为原材料, 开发莫来石质的高强度陶瓷微晶薄板, 期待取得较好的效果。
通过大量实验研究确定制备莫来石微晶板材的最佳配方范围如下, 粉煤灰含量50 wt%～55 wt%, 叶蜡石含量30 wt%～35 wt%, 铝矾土含量10 wt%～15 wt%。以最佳配方为基础分别外加0、2.0 wt%、4.0 wt%、6.0 wt%的AlF3矿化剂进行实验, 配料经球磨、烘干、 过筛、 半干压成型、烘干, 烘干后坯体分别在900～1200 ℃进行煅烧, 保温2 h, 随炉冷却后得到制备的各试样。采用日本理学D/max2200PC型X射线衍射仪分析确定各试样形成的晶相, 分析条件:Cu靶Kα, 管电压35 kV, 管电流20 mA;用外标法并结合Rietveld Quantification软件计算确定各试样中莫来石晶相占总晶相的含量;采用NETZSCH STA 409 PC/PG型综合热分析仪 (TG-DSC) 、日本电子 (JEOL) JSM-5800型扫描电子显微镜 (SEM) 分析样品的热稳定性和显微形貌;采用化学全分析方法测试材料的化学组成;采用台湾宝大万能材料试验机测试各试样的力学性能。 图1是配料原料在升温速率为10 ℃/min时的综合热分析 (TG-DSC) 曲线。由图1可见, 在TG曲线上, 原料从室温到900 ℃处于质量损失阶段, 超过900 ℃后其失重较少。在300～800 ℃之间, 原料质量损失最快, 并对应于DSC曲线上峰值为520.6 ℃的放热峰, 其主要原因可能是由于配料中粉煤灰中未燃尽的碳粒燃烧放热所致。当温度为900～1200 ℃之间时, TG曲线趋于平缓, 同时在DSC曲线上出现了峰值为987.1 ℃的放热峰, 这可能是由于粉煤灰原料中的Al2O3、SiO2等发生晶形转变所致。
图2为混合料在不同温度下保温2 h后的XRD图谱。从图2中可以看出, 在900 ℃下保温2 h后的试样主要由刚玉 (Al2O3) 、莫来石和石英三种晶相组成, 其中以刚玉为主晶相, 莫来石和石英相衍射峰微弱, 含量很少。在1000 ℃保温2 h后, 图谱中Al2O3晶相的衍射峰明显减弱, 莫来石晶相的衍射峰逐渐增强, 说明此时配方体系已经开始反应生成莫来石, 试样已部分莫来石化, 这也与图1 的热分析结果基本吻合。随煅烧温度的进一步升高, 刚玉相的衍射峰进一步减弱, 莫来石含量进一步升高。到1200 ℃时, 试样中的晶相基本为莫来石, 其它晶相的衍射峰非常微弱。通过对材料的元素组成分析可知 (表1) , 随煅烧温度的提高, 体系中NaF和KF的含量逐渐降低, 同时Na2O和K2O的含量略有降低, 这一方面说明在煅烧过程中AlF3和体系中的Na2O和K2O反应生成了NaF和KF, 另一方面还说明高温下NaF和KF会发生挥发, 这将增加在烧成中的气相传质过程, 使得莫来石的合成温度低于传统的合成温度。通过外标法的XRD定量分析可知 (表2) , 随煅烧温度从900 ℃升高到1200 ℃, 试样中莫来石晶相含量占总晶相的含量从6.1%增加到95.5%。这也印证了上述的分析结果。
3为混合料在不同温度下保温2 h后的SEM照片。从图3中可以看出, 在900 ℃下保温2 h后的试样已经开始结晶, 主要由立方结构和棒状结构以及其他粒状结构的微晶组成, 结合XRD分析结果, 其可能是刚玉 (Al2O3) 、莫来石和石英三种微晶。莫来石一般为针状或棒状结晶, 从图3a中可见针状棒状结晶体含量较少,说明其莫来石含量降低, 这和图2和表1的结果基本吻合。随煅烧温度升高到1100 ℃, 可见棒状的莫来石微晶明显增加, 其它粒状微晶量明显减少。到1200 ℃煅烧以后, 试样中基本为棒状莫来石微晶, 同时试样的断面也更加致密, 孔隙更少, 这和XRD结果以及定量分析结果也是完全吻合的。研究表明:莫来石晶相含量的增加有利于材料强度的提高。这也从表2的测试结果中得到了印证。 表2是不同温度煅烧后所制备试样的性能。从表中可以看出, 陶瓷微晶薄板的莫来石晶相含量、体积密度和弯曲强度均随温度的升高而增加, 而显气孔率和吸水率随着温度升高而降低。当煅烧温度达到1200 ℃时, 其弯曲强度等各项性能指标达到最大值。研究中还发现, 继续升高煅烧温度至1250 ℃后其力学性能略有下降。这可能是太高的温度导致试样中产生了较多的玻璃相, 从而降低了产品的弯曲强度。 图4 不同矿化剂AlF3含量对试样弯曲强度的影响。从图4可以看出, 矿化剂的含量对试样的弯曲强度有很大的影响。在0～4.0 wt%的加入量范围内,随AlF3含量的增加, 试样的弯曲强度也是逐渐增加的。当AlF3含量达到4.0 wt%时, 试样的弯曲强度达到极大值96 MPa。继续增加矿化剂AlF3含量会导致试样强度的下降。分析原因, 可能是由于在较低的加入量范围内, 加入矿化剂会加速气相传质和液相传质过程而促进材料的烧结和析晶, 使得材料中莫来石含量、材料力学性能和密度逐渐增加, 气孔率等逐渐降低。当矿化剂加入量过高, 会导致材料中出现熔融烧结现象, 试样中玻璃相的含量会逐渐增加,使得其在气孔率、吸水率等基本不变化的情况下弯曲强度有所下降。 采用粉煤灰、铝矾土与叶蜡石等为原料, 以氟化铝为矿化剂, 成功的合成了莫来石质的陶瓷微晶薄板, 降低了产品成本。随煅烧温度的升高, 试样中莫来石晶相含量逐渐增加, 当煅烧温度为1200 ℃时, 试样中莫来石晶相的含量达到总晶相含量的95.5%。相应的, 随煅烧温度从900 ℃增加到1200 ℃,试样的显气孔率和吸水率逐渐降低, 而其弯曲强度、密度逐渐增加。当煅烧温度为1200 ℃时, 试样得弯曲强度达到96 MPa。随AlF3矿化剂加入量的逐渐增加,使得其在气孔率、吸水率等基本不变化的情况下弯曲强度有所下降。
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