Al-Si系無機高溫粘結(jié)劑的制備與性能研究

陳 洋 ，鄧承繼 ，丁 軍 ，余 超 ，祝洪喜 ，樊國棟 ，冷光輝

(1． 武漢科技大學，省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢 430081；2．河南東大高溫節(jié)能材料有限公司，河南 鶴壁 458030)

0 引 言

近年來，隨著航空航天、電子和機械制造工業(yè)等領域的迅猛發(fā)展，人們對耐高溫材料的需求越來越大、性能要求越來越高，而耐高溫材料部件的連接是材料使用要解決的一個重要問題。現(xiàn)今，采用粘結(jié)劑是連接高溫材料部件的重要手段之一[1,2]。有機高溫粘結(jié)劑由于存在高溫易熱解、成本高和毒性大等問題，其使用范圍受到很大限制[3,4]。無機高溫粘結(jié)劑具有高溫穩(wěn)定性好、原料豐富和成本低等優(yōu)點[5-7]。本文以氧化鋁、硅微粉為主要原料，外加鋁酸鈣水泥制備了一種新型無機高溫粘結(jié)劑，并研究了不同燒成溫度、原料配比對高溫粘結(jié)劑的力學性能、物相分析和顯微結(jié)構的影響。

1 實驗部分

1.1 原 料

本實驗所用原料規(guī)格如表1所示。

1.2 測試儀器

本實驗所使用的主要實驗儀器如表2所示。

1.3 配方設計原理

莫來石(3Al2O3·2SiO2)具有較低的熱膨脹性、機械強度高、高熔點和化學性質(zhì)穩(wěn)定等性能。莫來石中Al2O3、SiO2理論質(zhì)量之比是5 : 2，按照這一思路進行各物質(zhì)的添加，可控制燒成中形成莫來石相。本實驗通過改變配方中Al2O3和SiO2的質(zhì)量比，分別按質(zhì)量比z(Al2O3/SiO2)=5 : 1、5 : 2、5 : 3的比例配料制樣，然后分別在1300 ℃、1400 ℃、1500 ℃、1600 ℃下燒成，對其進行性能測試分析。實驗配方如表3所示。

表1 實驗所用原料規(guī)格Tab.1 Specifications of experimental materials

表2 實驗儀器Tab.2 Experiment apparatus

2 結(jié)果與討論

2.1 楊氏模量

圖1為不同配方的試樣分別在1300 ℃、1400 ℃、1500 ℃和1600 ℃下燒成時彈性模量的變化趨勢。從圖1中可以看出，在1300-1600 ℃溫度范圍內(nèi)，試樣彈性模量隨著溫度升高而增大。三種不同配方的試樣在1300-1500 ℃溫度范圍內(nèi)變化不大，數(shù)值很小且接近；1500-1600 ℃時，試樣的彈性模量開始快速變大。其中S1的試樣彈性模量增長幅度最大。

2.2 抗折強度、耐壓強度和剪切強度

測定試樣在不同溫度下的抗折強度、耐壓強度和剪切強度，測試結(jié)果如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖2、3中可以看出，在1300-1500 ℃溫度下，配方S1、S2、S3的試樣抗折強度、耐壓強度均無大的變化，抗折強度大約為2．5 MPa，耐壓強度在10-20 MPa范圍內(nèi)；1500-1600 ℃溫度范圍內(nèi)，抗折強度和耐壓強度變化很大，S2、S3試樣變化幅度較小，S1試樣變化幅度大，抗折強度由2．5 MPa劇增至32．5 MPa，耐壓強度由10 MPa劇增至120 MPa。

表3 實驗配方Tab.3 Experiment formulas

圖4為試樣在25 ℃、110 ℃、300 ℃下的剪切強度。25-110 ℃時，剪切強度隨溫度的升高而增加；110-300 ℃時，剪切強度隨溫度升高而下降。且在25-300 ℃溫度范圍內(nèi)，剪切強度始終是：S1＞S2＞S3。圖5為試樣在高溫燒成后的剪切強度隨溫度變化趨勢，在1300-1500 ℃時，S1試樣剪切強度大，在2．2 MPa左右。隨著燒成溫度到1600 ℃，不同配比試樣的剪切強度明顯增大。

2.3 XRD物相分析

圖1 試樣楊氏模量隨溫度變化曲線Fig.1 The variation of the Young’s modulus with the temperature

圖3 試樣耐壓強度隨溫度變化曲線Fig.3 The compressive strength as a function of the temperature

圖5 高溫燒成后試樣剪切強度隨溫度變化曲線Fig.5 The shear strength as a function of the temperature for samples sintered at high temperatures

圖2 試樣抗折強度隨溫度變化曲線Fig.2 The rupture strength as a function of the temperature

圖4 低溫下試樣剪切強度隨溫度變化曲Fig.4 The variation of the shear strength with the temperature for samples at low temperatures

圖6 不同溫度燒成后S1試樣的XRD衍射圖譜Fig.6 XRD patterns of S1 samples sintered at different temperatures

圖6 為試樣S1的XRD圖，在1300 ℃時試樣中有Al2O3、SiO2、CaAl2Si2O8和3Al2O3·2SiO2，加入的SiO2原料未完全反應，其中CaAl2Si2O8是鋁酸鈣和二氧化硅反應生成。隨著溫度升高到1500 ℃，試樣中CaAl2Si2O8和SiO2物相消失，莫來石的衍射峰的強度增大，CaAl2Si2O8分解，生成的SiO2與Al2O3反應生成莫來石。燒成溫度到1600 ℃時，S1試樣中物相只有Al2O3和3Al2O3·2SiO2，但是3Al2O3·2SiO2衍射峰的強度降低和衍射峰減少，可能是生成的莫來石在雜質(zhì)離子的作用下分解，生成的SiO2又以玻璃相的形式存在。

圖7是試樣S2的XRD圖。在1300-1500 ℃溫度范圍內(nèi)，都有Al2O3、SiO2、3Al2O3·2SiO2和CaAl2Si2O8。溫度到1600 ℃時，SiO2和CaAl2Si2O8物相消失，3Al2O3·2SiO2衍射峰的強度降低，Al2O3為主晶相，可能是CaAl2Si2O8分解，生成的SiO2為玻璃相。

圖8是試樣S3的XRD圖。在1300 ℃時有CaAl2Si2O8生成，SiO2只是少部分參加反應。隨著溫度升高，燒成溫度到1500 ℃時存在Al2O3、3Al2O3·2SiO2和以玻璃相存在的SiO2。溫度到1600 ℃，只有Al2O3和3Al2O3·2SiO2。

2.4 SEM分析

根據(jù)對試樣的力學性能及XRD分析，試樣S1性能較好，現(xiàn)對試樣S1在1300 ℃、1400 ℃、1500℃和1600 ℃下進行SEM分析。如圖9，在1300 ℃燒成后試樣無明顯晶粒形狀，但顆粒之間發(fā)生團聚；1400 ℃時出現(xiàn)不規(guī)則晶粒；1500 ℃時明顯有短柱狀晶粒生成，其能譜顯示，該物相為莫來石；1600 ℃時有長柱狀3Al2O3·2SiO2晶粒生成。

圖7 不同溫度燒成后S2試樣的XRD衍射圖譜Fig.7 XRD patterns of S2 samples sintered at different temperatures

圖8 不同溫度燒成后S3試樣的XRD衍射圖譜Fig.8 XRD patterns of S3 samples sintered at different temperatures

圖9 在不同溫度下燒成的S1試樣SEM照片：(a) 1300 ℃; (b) 1400 ℃; (c) 1500 ℃; (d) 1600 ℃Fig.9 SEM images of S1 samples sintered at different temperatures: (a) 1300 ℃; (b) 1400 ℃; (c) 1500 ℃; (d) 1600 ℃

3 結(jié) 論

以Al2O3和SiO2為主要原料，外加鋁酸鈣水泥制備一種新型無機高溫粘結(jié)劑。通過對試樣進行物理性能測試、物相分析和顯微結(jié)構表征，發(fā)現(xiàn)在1600 ℃燒成后不同原料配比的試樣中均有Al2O3和3Al2O3·2SiO2相；隨著燒成溫度的升高，生成的莫來石晶粒發(fā)育更加規(guī)則；按質(zhì)量比Al2O3: SiO2=5: 1在1600 ℃下燒成的試樣力學性能較好，其抗折強度、耐壓強度和剪切強度分別為31．72 MPa、119．14 MPa和3．75 MPa。

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