【正文】 能檢測 (收縮率，強度，線膨脹系數(shù)等 ) 第 27 頁 3 實驗結果分析與討論 體積收縮率 利用游標卡尺對干燥后的、燒成后的所有樣品的尺寸進行測量 （誤差 ） 。 隨著溫度的升高，原料中的主要成分二氧化硅、氧化鎂和硅開始反應， 莫來石的合成含量逐漸增多， 峰強度增強， 氧化鎂也大 量參與反應， 氧化鎂的含量逐漸減少， 莫來石和方石英轉化成晶體， 當溫度升高到 1200℃以上時， 由于Fe2O3 的存在，莫來石逐漸 反應生成鐵堇青石，原料大量參與反應生成α 堇青石、β 堇青石以及印度石和鎂鋁尖晶石， 其反應式如下： 3Al2O3 SiO2（ 印度 石） （藍晶石） Mg O+ Al2O3 1200C??????? Mg O SiO2 （ 鐵堇青石 ） （藍晶石） 3Al2O3 體積密度、顯氣孔率和吸水率的測試 根據(jù)公式 2 2 24 計算出 不同溫度下不同配方 體積密度、顯氣孔率和吸水率，計算結果如表 32 所示： 表 32 試樣的吸水率、顯氣孔率、體積密度 圖 32 不同溫度下試樣的顯氣孔率曲線變化圖 溫度（℃） 吸水率（ %） 顯氣孔率（ %） 體積密度（ g∕㎝ 3） 1150 1200 1250 1270 1290 1310 第 29 頁 圖 33 不同溫度下試樣的吸水率曲線變化圖 圖 34 不同溫度下試樣的體積密度曲線變化圖 由以上圖 3圖 3圖 34可以得出：試樣的顯氣孔率和吸水率隨溫度升高呈下降趨勢，并且在 1150℃ ~1250℃之間下降幅度較大，在 1250℃ ~1310℃之間趨勢變緩；試樣的體積密度隨溫度升高呈上升趨勢， 并且在 1150℃ ~1250℃之間上升幅度較大，在 1250℃ ~1310℃之間先上升，后有所下降。原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。沒有任何兩種物質，它們的晶胞大小、質點種 類及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。煮沸時器皿部和試樣間應墊以 干凈紗布，以防止煮沸時試樣碰撞掉角。 性能測試與分析 實驗所進行的相關性能測試主要包括以下幾方面： 第 22 頁 燒成收縮率的測試 燒成收縮率就是樣品燒制前與燒制后的線性收縮與燒制前的尺寸之比。 5SiO2)的化學成分計量比進行配比(%， %， %)； 原料的理論配比為：粉煤灰： 硅微粉 ：鎂砂 =:1:；各原料理論所需百分含量分別為：粉煤灰 （ %）硅微粉（ 8%）鎂砂（ %）。因鎂砂的原始粒徑較大，故先進行破碎，經研磨后過 200 目篩，去篩下部分進行化學成分的分析。 (3)在利用添加助劑改善堇青石陶瓷性能方面 ,助劑多為單一組元 ,往往平均熱膨脹系數(shù)很小 ,但其 a軸和 c軸的熱膨脹系數(shù)卻存在較大差異 ,很難使“零膨脹”與各向異性熱效應相協(xié)調 ,從而降低 了堇青石陶瓷的熱性能；同時 ,添加助劑對堇青石陶瓷熱膨脹系數(shù)影響的確切機理尚不完全明朗。 3）紅外輻射材料，在工業(yè)上，廣泛使用在加熱爐或干燥器的內壁，可以增加爐窯內壁黑度，改變爐內熱輻射的波譜分布，提高熱效率，勻化爐溫，改善加熱質量；在常溫領域，用于紅外紡織物及醫(yī)療保健品的制造。 此外，利用“水解－沉淀法”等濕化學法合成堇青石也在研究中，濕化學法與高溫固相反應法相比具有產物純度高、粒度小且均勻、反應活性高、燒結性能好等優(yōu)點。 溶膠凝膠法的優(yōu)點是：產品純度高，顆粒細小且粒度均勻，反應活性高。 陳運法等采用金屬醇鹽法制備堇青石粉末，首先將正硅酸乙酯（ TEOS）溶于異丙醇，利用 103M 的氨水溶液對其進行預水解。這種工藝特別適用于制造窯具、高溫氣體過濾器等部件。擠出法是目前國內外公認的先進方法， 其主要作用是在擠出漿料時會使?jié){料中的某些具有特殊形貌的組份產生擇優(yōu)取向， 使成品中的堇青石晶粒形成定向排列， 在特定的方向 第 14 頁 的熱膨脹系數(shù)較小。其合成溫度低，合成溫度范圍較寬 (1200℃ ～ 1320℃ )。研究發(fā)現(xiàn)，合成溫度高的原因是在合成反應過程中生成了反應活性較低的 Mg O研究結果表明，適當?shù)钠V組成有利于降低熱膨脹率，但 Mg O/Al2O3（摩爾比）應小于 ，如大于此值，制品晶相中產生較多的頑火輝石，提高了熱膨脹率。燒成時造成堇青石晶粒的定向排列 (即堇青石晶粒的 C軸平行于蜂窩間壁平面 )，從而降低其軸向熱脹系數(shù)。研究表明，當配料化學組成偏離其理論組成 5%時，堇青石材料的顯微結構和高溫性能會發(fā)生明顯變化。 當粉末中各種成分的混合程度達到原子級混合時， 在坯體中 出現(xiàn)任何結晶質之前，就可在較低溫度下產生燒結。通常，生料混合物的配合比 (按重量計 )為： 30%50%的 Al 2 O 8%20%的 Mg O， 40%60%的 SiO2 ，并可進行一定的調節(jié)。在 70 年代，一家美國公司投資了一項較大的研究項目， 目標是加強對堇青石的了解并開拓其在汽車 第 9 頁 工業(yè)化的催化式排氣凈化器載體方面的應用。 1955 年Miyashiroetal 對此進行了進一步研究，結果表明α 堇青石是六方晶系，而β 堇青石可能是斜方晶系 ，兩者都與天然堇青石不同。這樣晶體結構中存在著兩種平行 c 軸的空穴 C1 和 C2， C2 位于四面體形成的六元環(huán)中心，直徑約為 ； C1 位于上下兩個六元環(huán)之間，直徑約為 。 但存在的最大問題就是合成溫度高， 能源消耗大， 生產成本高， 并且，由于制備高純度、低熱膨脹的堇青石陶瓷需要較高的煅燒溫度，不易獲得致密的燒結體，從而又限制了它的應用。因此，積極研究降低合成溫度的方法具有非常重要的意義。如在各種冶金廠里盛裝液態(tài)金屬的容器就不可避免地在急冷急熱條件下工作，因此研究具有高抗熱震性 能材料是具有實際意義的工作 [5]曾指出材料的抗熱震性主要取決于材料的熱膨脹系數(shù)和熱傳導率。 研究目的及意義 [3] 先進陶瓷材料具有其它材料如金屬材料、高分子材料等不可比擬的優(yōu)點：耐高溫、抗氧化、耐磨損、高硬度、不老化等，得到人們的 廣泛重視，并正逐漸在克服其固有的缺點 (一般抗拉強度低、韌性差、工藝重復性差 )的過程中有驚人的發(fā)展。h, 按消耗煤 357g/(kW據(jù)統(tǒng)計， 2021 年我國粉煤灰的排放量已達到 ，如何合理開發(fā)利用粉煤灰資源，變廢為寶，是需要深入研究的重要課題。 燒結體中主要以β 堇青石和α 堇青石相存在，還有少量的鎂鋁尖晶石，藍晶石，鐵堇青石，印度石等礦物相生成。 燒 結 試 樣 分 別 在1150℃ ,1200℃ ,1250℃ ,1270℃ ,1290℃ ,1310℃六個溫度下 進行。 人們多采用高嶺石、滑石等礦物原料和工業(yè)氧化鋁來合成堇青石陶瓷。據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計 ,2021年全國原煤產量已達 億 t，比 2021 年的 億 t 增長 %,年均煤炭產量漲幅達 %，煤炭在我國一次性能源生產和消費結構中的比重分別占 76%和69%。因此， 本文利用高鋁粉煤灰制備膨脹系數(shù)較低的堇青石陶瓷材料， 研究低膨脹系數(shù)的堇青石陶瓷已成為比較熱點的課題 。 陶瓷材料大多數(shù)為脆性材料，抗熱震性能較差，而抗熱震性能的優(yōu)劣與材料的熱膨脹系數(shù)密切相關，熱膨脹系數(shù)愈小，其耐熱沖擊能力愈強 [4]。 近年來，各種小型換熱器和汽車排氣用的催化劑載體的開發(fā)應用，使低熱膨脹的堇青石陶瓷材料受到人們極大的關注。 在借鑒國內外科研成果的基礎上，從材料設計的角度出發(fā)，研究低溫煅燒和添加劑對堇青石陶瓷性能，特別是對熱膨脹性能的影響，為制備高性能的堇青石質蜂窩陶瓷提供參考 [5]。從原子排布來看， α堇青石和 β堇青石的區(qū)別在于 Al、 Si 原子的有序程度，斜方晶系中 Al、 Si 原子完全有序排列。 1918 年，Rankin 和 Merwin 在研究 Mg O－ Al 2 O 3－ Si O 2 三元系統(tǒng)的過程中，合成了α型三元化合 物，并認為α 型與 Morozewicz 合成的堇青石相同，與天然堇青石也相同。后來， 等人又先后在擴大堇青石煅燒溫度范圍，滑石的代用品（綠泥石，菱鎂礦和低等級石棉等）和合成堇青石微粉等方面取得了成果，探明了添加鋯英石、 BaCOPbSi長石和 Si C 等對合成堇青石煅燒性能、電性能、熱膨脹及礦物組成等諸方面的影響。 因此制造堇青石陶瓷的原材料主要是能形成堇青石的無機耐熱材料，包括滑石、高嶺土或粘土以及氧化鋁等。水解法通常采用硅酸乙脂和鋁或鎂的醇化物及硝酸鹽。鐘祥縣于 1989 年建成了年產 萬 t的選廠，主要生產鉆井泥漿用累托石粘土，純度較低，僅為 70%左右，導致改工藝應用有一定的局限性。原因之一是，在堇青石的反應燒成過程中，原料中所含的雜質 K + 、 Na + 、 Ca 2+ 和 Fe 2+ 便會以填隙原子的形式存在于堇青石晶體的六元環(huán)空腔中，從而就造成在較低的溫度下，晶體的 c 軸方向不僅不能收縮，反而開始膨脹；此外，當原料中 K + 、 Na + 雜質等強熔劑過多存在時，就會使 Mg OAl 2 O 3 Si O 2 三元系統(tǒng)的共熔點降低很多，生成液相較多， 從而使得最終制品中玻璃相增多， 由于玻璃相的熱膨脹系數(shù)遠大于堇青石的熱膨脹系數(shù)，于是增加了產品的熱膨脹率。研究和應用最多的是“高嶺土－滑石－氧化鋁”系統(tǒng)，以及“煤矸石（高嶺石）－菱鎂礦－滑石”、“煤矸石（高嶺石）－菱鎂礦－石英”、“累托石－滑石－氧化鋁”、“高嶺石－氫氧化鎂”、“綠泥石－滑石－高嶺石－氧化鋁”、“葉臘石－鋁礬土－菱鎂礦－滑石”系統(tǒng)合成堇青石的研究。其中 Al2O3/SiO2或 Al2O3/Mg O的質量比的增大有利于改善堇青石材料的顯微結構和提高其高溫性能。實驗表明選擇高嶺石含量高和堿金屬氧化物及氧化鐵含量低的煤矸石及高純菱鎂礦可以合成出高質量的堇青石熟料，其堇青石的含量可達 95%以上，最佳煅燒溫度為 1400℃，保溫 10h， 第 13 頁 降溫過程中在 1350℃再保溫 10h。配方中 SiO2/ Al2O3， 和 SiO2/MgO 應大于堇青石的理論組成比值。隨 CeO2含量增加，陶瓷的致密度、彎曲強度和熱膨脹系數(shù)逐漸升高。特點是以液體化學試劑（或將粉狀試劑溶于溶劑）或溶膠為原料，而不是用傳統(tǒng)的粉狀物體。整個過程中未發(fā)現(xiàn)尖晶石或莫來石等夾雜相，這與以無機鹽為鎂和（或）鋁原料的過程相比，不但結晶過程簡單，而且相轉變溫度較低。鎂鋁氧化物可促進基體中無定形 SiO2向方石英的轉化。同時，在電子封裝材料、生物陶瓷、泡沫陶瓷、印刷電路板、低溫熱輻射材料等高新技術領域也頗受青睞。 (2)對于堇青石陶瓷的研究 ,要么以降低堇青石陶瓷的熱膨脹系數(shù)和改善各向異性的熱效應為主要目 標 ,而忽視了對其強度、剛度和硬度的研究 ,如已報道的有關離子摻雜改性研究中 ,基本上都沒有對其機械性能進行研究 。據(jù)文獻報道，通常高鋁粉煤灰中主要是玻璃體，但晶體物質的含量也比較高，范圍在 11%~48%。 表 21 實驗原料的化學組成（ wt％） 組成 原料 Al2O3 SiO2 MgO Fe2O3 CaO TiO2 粉煤灰 鎂砂 硅微粉 — — — — — — 96 注：各成分的百分含量均已換算成百分制， 其它微量成分可 以忽略不計，在此就不一一列出了。裝入保鮮袋， 然后用 TYE300B 型壓力試驗機，在120KN 的壓力下壓制成 Φ36㎜ 36 ㎜圓柱狀試樣， 壓力增加先慢后快。刷去試樣表面的灰塵和細碎顆粒，置于烘箱中在 120℃下烘干至恒重，然后取出放在干燥器中。 抗壓強度測試 以 177。