用石英、石灰石和γ-氧化鋁合成鈣長(zhǎng)石的研究

徐慧銘，黃朝暉，劉艷改，房明浩，車 聰

用石英、石灰石和γ-氧化鋁合成鈣長(zhǎng)石的研究

徐慧銘，黃朝暉，劉艷改，房明浩，車 聰

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

以天然石灰石、石英粉以及γ-氧化鋁為原料，分別在1 400℃和1 450℃下進(jìn)行燒結(jié)，成功制備了鈣長(zhǎng)石耐高溫陶瓷試樣。借助XRD和SEM分析方法對(duì)試樣在不同溫度下的物相和顯微形貌進(jìn)行了分析，對(duì)不同溫度下試樣的顯氣孔率、體積密度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：1 450℃下試樣顯氣孔率較低，體積密度及抗折強(qiáng)度較大，形成單一鈣長(zhǎng)石相。燒結(jié)溫度對(duì)所合成的鈣長(zhǎng)石的力學(xué)性能有重要影響。隨著燒結(jié)溫度的提高，試樣的顯氣孔率降低，體積密度增加，抗折強(qiáng)度從17.66MPa增加到19.52MPa。

鈣長(zhǎng)石；石灰石；石英；γ-氧化鋁

Abstract: Taking natural limestone, quartz, and γ-alumina powder as raw material, I successfully prepared anorthite sample by applying 1 400℃ and 1 450℃ sintering respectively. I examined the phase and the microscopic morphology of the sample through the XRD and SEM analysis, test the the apparent porosity, bulk density, bending strength performance of the sample which sintered at different temperature. I then conclude that: the sample presented at 1 450℃ showed lower porosity, larger bulk density and bending strength, and formed a single anorthite phase. The sintering temperature presents a significant effect on the mechanical properties of anorthite. As the sintering temperature increases, the sample is reduced its apparent porosity, while increased in its bulk density, and flexural strength from 17.66MPa to 19.52MPa.

Key words: anorthite; limestone; quartz; γ-alumina

1 前言

鈣長(zhǎng)石具有介電常數(shù)小、熱膨脹系數(shù)低、體積密度小、比強(qiáng)度高和燒結(jié)溫度低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在電子、化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-4]。同時(shí)，鈣長(zhǎng)石具有熱導(dǎo)率低和抗剝落性能好的突出優(yōu)點(diǎn)，可用于制備低能耗、高性能的耐高溫材料，在高溫工業(yè)的應(yīng)用前景逐步得到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[5-6]。

由于鈣長(zhǎng)石在自然界產(chǎn)于基性火成巖中，且可以與鈉長(zhǎng)石在任意溫度下以任意比例互溶，導(dǎo)致自然界中純鈣長(zhǎng)石的產(chǎn)出極少[5]，因此，工業(yè)上主要使用合成鈣長(zhǎng)石。目前，有關(guān)鈣長(zhǎng)石耐高溫隔熱材料的研究開發(fā)已有報(bào)道[6]。但是，近幾年的研究主要集中在采用化學(xué)原料合成鈣長(zhǎng)石等方面，盡管制備出了物相單一的鈣長(zhǎng)石，但由于其生產(chǎn)成本較高，限制了所合成的鈣長(zhǎng)石在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，采用價(jià)格較低廉的天然礦物原料進(jìn)行鈣長(zhǎng)石的合成和性能研究，獲得性能優(yōu)異、成本較低的輕質(zhì)耐高溫材料，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境效益。本研究以天然礦物石灰石、石英以及γ-氧化鋁為原料，無壓燒結(jié)合成鈣長(zhǎng)石，研究了反應(yīng)溫度對(duì)合成產(chǎn)物的物相、微觀形貌和抗折強(qiáng)度等物理性能的影響。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料

由于輕質(zhì)耐火材料大部分應(yīng)用于工業(yè)窯爐內(nèi)襯，在材料物理化學(xué)性能保證的前提下，盡可能降低試驗(yàn)及生產(chǎn)成本，以達(dá)到節(jié)能減排的生產(chǎn)目的。因此，本試驗(yàn)根據(jù)鈣長(zhǎng)石成分組成CaO·Al2O3·2SiO2選取低成本的天然石灰石、石英粉以及γ-氧化鋁(產(chǎn)地為山東淄博)作為試驗(yàn)原料，經(jīng)過200目過篩后，合成鈣長(zhǎng)石耐高溫材料。

根據(jù)鈣長(zhǎng)石的成分組成CaO·Al2O3·2SiO2可知，在鈣長(zhǎng)石中，CaO占20.16%，Al2O3占36.65%，SiO2占43.19%，試驗(yàn)原料選取天然石灰石，其主要化學(xué)成分為CaCO3，經(jīng)計(jì)算，得到原料配比質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為石灰石31.00%，石英粉37.31%，γ-氧化鋁31.69%。

2.2 試樣制備

按照化學(xué)計(jì)量比稱取原料放入球磨罐中，加入水，以瑪瑙球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)(料∶球∶水的比例為1∶1.5∶2)，使用行星式球磨機(jī)球磨6h。取出原料在100℃干燥12h后，進(jìn)行研磨并加入3%的聚乙烯醇溶液(PVA)，壓制成6mm×6mm×40mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，經(jīng)過200MPa冷等靜壓后，將所制樣品放入高溫?zé)Y(jié)爐中，分別在1 400℃和1 450℃下保溫3h。

2.3 試驗(yàn)燒結(jié)制度制定

根據(jù)文獻(xiàn)中已有的試驗(yàn)，鈣長(zhǎng)石形成溫度在1 000℃～1 100℃之間，隨著溫度的升高，XRD圖譜中鈣長(zhǎng)石衍射峰也隨著增強(qiáng)，但在1 350℃左右，有新的剛玉相的衍射峰出現(xiàn)[7]。所以為了制得物相單一的鈣長(zhǎng)石，本試驗(yàn)計(jì)劃以此為依據(jù)，進(jìn)一步提高試樣的燒結(jié)溫度至1 400℃和1 450℃，希望得到較為單一的鈣長(zhǎng)石相。由于石灰石中的主要成分CaCO3在550℃左右分解，故在設(shè)定燒結(jié)制度時(shí)，在550℃保溫0.5h，而且CaCO3在910℃左右分解急劇進(jìn)行，故在設(shè)定燒結(jié)制度時(shí)，在910℃保溫30min。以1 400℃為例，試驗(yàn)整體燒結(jié)制度設(shè)定如圖1所示。

圖1 燒結(jié)制度

2.4 分析測(cè)試

采用阿基米德法測(cè)試燒結(jié)后試樣的體積密度，并計(jì)算出試樣的致密度；采用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗彎強(qiáng)度；采用XD-3型X-射線粉晶衍射儀分析試樣的物相組成；使用JEM-6460LV型掃描電子顯微鏡觀察燒結(jié)后試樣的微觀形貌。

3 結(jié)果分析

3.1 溫度對(duì)產(chǎn)物物相的影響

試樣分別在1 400℃和1 450℃下保溫3h燒結(jié)后產(chǎn)物的XRD圖譜示于圖2。由圖2可以看出，試樣分別在1 400℃和1 450℃下燒結(jié)后，其產(chǎn)物的主要物相都是鈣長(zhǎng)石。但是，在1 400℃下燒結(jié)的試樣的衍射圖譜中還存在剛玉的衍射峰，而1 450℃下燒結(jié)的試樣的衍射圖譜中剛玉相消失，同時(shí)鈣長(zhǎng)石相的衍射峰峰強(qiáng)也顯著增強(qiáng)，形成了較為單一的鈣長(zhǎng)石相。因此，在本研究中，1 450℃是合成鈣長(zhǎng)石的適宜溫度。

3.2 試樣顯氣孔率、體積密度以及抗折強(qiáng)度

試樣分別在1 400℃和1 450℃保溫3h燒結(jié)后的顯氣孔率、體積密度以及抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)示于下表。從表中可以看出，1 450℃燒結(jié)的試樣其顯氣孔率低于1 400℃下燒結(jié)的試樣，而體積密度則高于1 400℃下燒結(jié)的試樣。從表中還可以看出，隨著燒結(jié)溫度的提高，試樣抗折強(qiáng)度從17.66MPa增加到19.52MPa。分析認(rèn)為，由于燒結(jié)溫度提高，在燒結(jié)過程中產(chǎn)生了更多的液相，使氣孔排出，最終使得試樣的顯氣孔率減小，體積密度增大，試樣顆粒間相互結(jié)合更為緊密，故試樣的抗折強(qiáng)度增加。

不同溫度下試樣的性能測(cè)試指標(biāo)

3.3 溫度對(duì)產(chǎn)物微觀形貌的影響

試樣分別在1 400℃和1 450℃下保溫3h燒結(jié)后產(chǎn)物的SEM照片示于圖3和圖4。由圖3中可以看到，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 400℃時(shí)，鈣長(zhǎng)石板片狀結(jié)構(gòu)發(fā)育良好，邊界清晰。分析認(rèn)為，由于原料采用天然礦物石灰石，在燒結(jié)過程中，石灰石中的主要成分CaCO3高溫下分解，釋放出CO2氣體，為板片狀結(jié)構(gòu)的鈣長(zhǎng)石晶體長(zhǎng)大提供了空間。而在圖4中，當(dāng)燒結(jié)溫度提高到1 450℃時(shí)，片狀結(jié)構(gòu)的鈣長(zhǎng)石邊緣產(chǎn)生熔融現(xiàn)象，且片層之間堆疊更緊密。分析認(rèn)為，由于燒結(jié)溫度的升高，液相增多，片狀結(jié)構(gòu)的鈣長(zhǎng)石邊緣產(chǎn)生熔融現(xiàn)象，且片層之間堆疊更緊密。

4 結(jié)論

(1) 利用天然礦物石灰石、石英粉以及γ-氧化鋁為原料，在1 450℃下保溫3h制備得到鈣長(zhǎng)石耐高溫材料。合成的鈣長(zhǎng)石材料具有發(fā)育良好的板片狀結(jié)構(gòu)，1 450℃合成的鈣長(zhǎng)石的片層燒結(jié)更致密。

(2) 燒結(jié)溫度對(duì)所合成的鈣長(zhǎng)石的力學(xué)性能有重要影響。隨著燒結(jié)溫度的提高，試樣的顯氣孔率降低，體積密度增加，抗折強(qiáng)度從17.66MPa增加到19.52MPa。

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Study of Anorthite Synthesized by Quartz Limestone and γ-Alumina

XU Hui-ming, HUANG Zhao-hui, LIU Yan-gai, FANG Ming-hao, CHE Cong
(School of Materials Science and Engineering, China University of Geoscience, Beijing 100083, China)

TQ174.75

A

1007-9386(2012)03-0007-02

2011-12-20

“863”重點(diǎn)項(xiàng)目資助(2009AA032501);“十二五”科技支撐項(xiàng)目資助(2011BAB03B08)。