电气石微粒的高温相变与界面迁移机制及对陶瓷性能影响的研究

作     者：顾小杨 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟军平

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：电气石 高温相变 界面迁移 电气石陶瓷 稀土 

摘      要：电气石拥有良好的红外辐射性与压电特性,被广泛应用在各个领域。但由于电气石特殊的高温热变行为,使得电气石的应用受到一定限制,为拓展电气石应用领域。本工作以铁电气石、镁电气石为例,研究了电气石高温过程中的相变规律、界面行为与离子迁移机制;将氧化铈与铁电气石复合探索了稀土介质对电气石高温相变的影响;通过制备电气石陶瓷分析了电气石在熔体介质中的相变行为对陶瓷性能的影响。结果表明,影响电气石高温相变的因素有热处理温度、保温时间与相变介质。电气石的高温相变是在固体状态下发生的,属于非均质反应,能量与物质的传递均在相界面处进行,温度升高电气石结构破坏,X、Y位金属阳离子成键断裂,界面处扩散,为新相的形核、生长提供基础。铁电气石在850°C保温1 h时,Si-O四面体之间桥氧断开,形成孤岛状结构,游离金属阳离子与Si-O四面体、Al-O八面体中的非桥氧相连形成莫来石,1000°C保温1 h时,铁电气石全部转变为莫来石;镁电气石在850°C保温1 h时,Si-O四面体组成的六元环被Mg相互连接形成堇青石,950°C保温1 h时镁电气石完全转变为堇青石。附着在电气石颗粒表面的硝酸铈在高温作用下生成氧化铈,铈原子能够进入表层电气石晶体的晶格内部,导致电气石晶体的晶格畸变,使电气石结构更易破坏,导致表层电气石晶体最先发生相变。随着反应的进行,不参与反应的CeO随表面向电气石颗粒内部移动,在铈原子作用下,电气石晶体逐层相变,使新生成的莫来石呈现出表面纳米晶簇的结构。对电气石陶瓷制备工艺进行优化。坯体配料(重量百分比):玻璃45%、电气石30%、高岭土20%、铁尾矿5%,烧制工艺:升温速率10°C/min,烧制温度900°C,保温时间1 h。电气石在陶瓷基体中发生高温相变,但相变温度变高,这是由于高温时,陶瓷中大量的液相能够将电气石颗粒分离,使电气石界面处的物质交换受阻,相变困难。但电气石能够在900°C的温度下生成高温相莫来石,有助于成瓷反应的发生,使陶瓷结构更加致密,强度更高。