原材料與鈦酸鋁陶瓷性能之間關系的研究＊

周林平黃亞蒙

(1江蘇省無錫市產(chǎn)品質量技術監(jiān)督檢驗所 江蘇無錫 214101)

(2浙江大學材料系無機非金屬研究所 杭州 310027)

原材料與鈦酸鋁陶瓷性能之間關系的研究＊

周林平1黃亞蒙2

(1江蘇省無錫市產(chǎn)品質量技術監(jiān)督檢驗所 江蘇無錫 214101)

(2浙江大學材料系無機非金屬研究所 杭州 310027)

用不同純度的二氧化鈦粉體和不同晶型的氧化鋁粉體為原料進行鈦酸鋁合成研究。結果表明:引入穩(wěn)定劑和燒結助劑,在一定的燒結溫度條件下,這些原材料均可生成具有良好力學性能的鈦酸鋁陶瓷;在相同的燒成條件下,鈦黃粉反應生成的鈦酸鋁陶瓷比鈦白粉反應生成的陶瓷具有更好的力學性能;采用鈦黃粉與工業(yè)氧化鋁粉合成的鈦酸鋁陶瓷,由于生產(chǎn)成本低,在耐火材料領域具有廣泛的應用潛力。

鈦酸鋁陶瓷 鈦黃粉 鈦白粉

鈦酸鋁陶瓷材料具有較高的熔點(1 860℃±10℃)、較低的熱膨脹系數(shù)(在RT-1 000℃條件下,α< 2.0×10-6/℃),優(yōu)良的抗熱震性(△Tc>1 000℃),導熱系數(shù)小[1～4],在較高溫度和冷熱頻繁交換條件下具有很大的應用潛力。另外具有與許多金屬(特別是有色金屬)熔液及玻璃熔液不浸潤的特性,能夠經(jīng)受起高溫金屬溶液的長期沖刷和侵蝕而不產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。但從鈦酸鋁的實際應用情況來看,存在產(chǎn)品性能一致性差和產(chǎn)品價格過高的問題,致使產(chǎn)品應用范圍有限。目前我們嘗試采用不同的原料合成鈦酸鋁材料,降低制品價格[5～6]。筆者在已有鈦酸鋁陶瓷研制的基礎上,引入低成本的鈦黃粉和γ-A l2O3及高活性ρ-A l2O3,采用一步法直接制備出鈦酸鋁陶瓷,并對其產(chǎn)品相關性能進行比較。

1 實驗

1.1 試樣制備

本實驗采用的原料有工業(yè)鈦白粉、鈦黃粉、氧化鋁微粉(α-A l2O3)、活性氧化鋁粉(ρ-A l2O3)、工業(yè)氧化鋁(γ-A l2O3)、輕質氧化鎂、鋰輝石等。鈦酸鋁合成實驗配方如表1所示。按配方準確稱取原料,采用QM-ISP(4 L)型行星式球磨機(南京大學儀器廠)對原料進行機械球磨混勻,以氧化鋯球為球磨介質,裝料參數(shù)為:料、球、水的質量比為1∶3∶1.25,球磨時間為24 h。然后將料漿在150℃下烘干,加入6%的結合劑,在30 M Pa的成形壓力下加工成長為50.0 mm的長條,在20 M Pa的成形壓力下加工成高和直徑分別是18.0mm和9.0mm的圓塊。將成形好的的試樣放在烘箱內(nèi)80℃熱處理2 h,然后將干燥好的試樣放在不同的溫度下燒成,并對其做相關的產(chǎn)品測試。

表1 實驗配方(質量%)Tab.1 Experiment fo rmula

1.2 性能測試

采用W E-B型液壓式萬能試驗機測定常溫抗壓強度;采用日本理學電機株式會社生產(chǎn)的D/max-RA型轉靶X射線衍射儀測定樣品的X射線衍射譜;用真空法測定吸水率,顯氣孔率以及體積密度。

2 結果與討論

2.1 一步法合成鈦酸鋁

圖1 配方1、2、3、7合成產(chǎn)物的XRD圖譜Fig.1 XRD of samp les of 1,2,3,7

圖1為添加了不同含量的燒結助劑鋰輝石的鈦酸鋁的XRD圖譜,表明均生成了鈦酸鋁。圖2和圖3是燒結助劑鋰輝石與氣孔率及密度之間的關系曲線。從圖2可以看出,隨著燒結助劑含量的增加,鈦酸鋁陶瓷氣孔率有一個先減小后增大的過程,說明燒結助劑過多對材料致密度不利。從圖3可以看出,密度與燒結助劑鋰輝石的含量與氣孔率相反,是一個先增加后減少的趨勢,在鋰輝石含量為2%時,密度最高。

圖2 鋰輝石含量與氣孔率之間的關系圖Fig.2 The po rosity changes w ith the amount of spodumene

圖3 鋰輝石含量與密度之間的關系圖Fig.3 The density changes w ith the amount of spodumene

表2為工業(yè)鈦白粉與氧化鋁微粉(α-A l2O3)一步法合成鈦酸鋁陶瓷試樣的性能。從表2可看出鈦酸鋁陶瓷具有很高的耐壓強度,最高可達754.5M Pa,其耐壓強度比目前已有的鈦酸鋁陶瓷要高。同時隨著鋰輝石含量的增加,試樣的抗壓強度和抗折強度也逐漸增大。但鋰輝石量過多易降低鈦酸鋁陶瓷的荷重軟化溫度,因此,結合燒結助劑含量與氣孔率及密度的關系曲線可知,鋰輝石加入量以2%為宜。

表2 鋰輝石含量對鈦酸鋁陶瓷各項性能的影響Tab.2 Mechanical p roperties of samp les added different amount of spodumene

表3 鈦白粉和不同晶相結構氧化鋁反應生成鈦酸鋁陶瓷的性能指標Tab.3 Mechanical p roperties of samples added different amount of spodumene

表3是鈦白粉與不同晶型氧化鋁在1 450℃煅燒之后生成鈦酸鋁陶瓷的各項性能指標。從表3可以看出,鈦白粉與α-A l2O3反應生成的鈦酸鋁陶瓷耐壓強度最高,鈦白粉與ρ-A l2O3、γ-A l2O3反應生成的鈦酸鋁陶瓷耐壓強度較低,從收縮率的指標看,與不同晶型的氧化鋁粉的致密度存在密切聯(lián)系,致密度越高,收縮率越小,氣孔率也越小,密度越大。

2.2 合成鈦酸鋁樣品的性能

表4 鈦黃粉和不同晶相結構氧化鋁反應生成鈦酸鋁陶瓷的各項性能指標Tab.4 Mechanical p roperties of samples added different amount of spodumene

表4是鈦黃粉與不同晶型氧化鋁在1 450℃煅燒之后生成鈦酸鋁陶瓷的各項性能指標。從表4可看出工業(yè)鈦黃粉分別與α-A l2O3反應生成的鈦酸鋁陶瓷耐壓強度陶瓷最低,鈦黃粉與ρ-A l2O3、γ-A l2O3反應生成的鈦酸鋁陶瓷耐壓強度較高,與不同晶型的氧化鋁粉的致密度存在密切聯(lián)系,致密度越高,收縮率越小,氣孔率也越小,密度越大。

綜上所述,不同純度的二氧化鈦原料與不同晶型的氧化鋁原料在一定的溫度條件下均可生成鈦酸鋁;燒結助劑和穩(wěn)定劑可有效提高陶瓷材料的強度,但過多鋰輝石會導致密度下降及氣孔率提高,從而影響試樣的機械強度,鋰輝石含量以2%為宜;在相同的燒成條件下,鈦黃粉反應生成的鈦酸鋁陶瓷比鈦白粉反應生成的陶瓷具有更好的力學性能,由于其價格低廉,這對低成本開發(fā)鈦酸鋁材料開辟了一個新的方向。

1 曹愛紅.鈦酸鋁復相陶瓷的制備及其抗熱震性能的研究:[碩士學位論文].天津:天津大學,2004

2 薛明俊,孫承緒.鈦酸鋁陶瓷研究新進展.硅酸鹽通報,1999(4):53～59

3 塍祥紅,李貴佳.鈦酸鋁陶瓷的研究現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢.全國性建材科技期刊——陶瓷,2002(2):10～11

4 靳喜海,梁波,陳玉茹.鈦酸鋁陶瓷.材料導報,1997,6 (11):31～33

5 胡勇,王艷春.鈦酸鋁陶瓷的制備.南昌航空大學學報, 2007,21(4):74～77

6 董秀珍,范增為,王瑞生.鈦酸鋁材料性能及合成工藝.全國性建材科技期刊——陶瓷,2007(7):13～17

Synthesis of Alum inum Titanate with Differen t Raw Materials

Zhou Linping1,Huang Yameng2(1Wuxi Institute of Supervision and Testing on Product Quality,Jiangsu,Wuxi,214101)(2 College of Materials and Chemical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,310027)

A luminum Titanate ceramic was successfully synthesized w ith different degrees purity of TiO2pow ders and different typesof A l2O3pow ders as raw materials.The results show that:all these raw materials can synthesize aluminum titanate ceramics at certain temperatures by introducing stabilizersand sintering aids;under the same condition,aluminum titanate ceramics synthesized w ith rutile yellow p refo rmed better in mechanic p roperty than that w ith titanium pigment as the p roduction cost is lower,aluminum titanate ceramics synthesized in this paper has great application potential in refracto ry materials.

A luminum titanate ceramics;Rutile yellow;Titanium pigment

TQ174

:A

:1002-2872(2010)12-0015-03

周林平(1982-),碩士;研究方向為建材檢測、建筑節(jié)能。Email:zhoulinpingandy@163.com