三石基莫来石-氧化锆多孔陶瓷的制备、结构和性能研究

作     者：陈文亮 

作者单位：郑州轻工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭会师

授予年度：2022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：蓝晶石 红柱石 硅线石 多孔陶瓷材料 氧化锆增韧 

摘      要：节能减排是当今社会发展的主题,“双碳目标的确立为我国各行业的发展提出了明确要求。高温工业在节能减排中有不可或缺的责任和义务,要提高其生产效率、减少能源消耗,最重要的就是发展先进隔热材料,加强窑体保温效果,减少散热损失。多孔陶瓷材料中含有大量气孔,具有体积密度低、气孔率高、强度高、导热小、耐高温且体积稳定性佳等优点,适合作为窑炉隔热材料。本课题以“三石为主要原料制备莫来石-氧化锆多孔陶瓷材料,研究的开展将对高性能多孔陶瓷材料的制备及结构的精确调控提供理论基础和技术依据,对推动新一代高性能耐火材料的研究与发展具有重要意义。本课题以高温工业用莫来石-氧化锆多孔陶瓷材料为研究对象,首先,分别以蓝晶石、红柱石和硅线石为主要原料,α-氧化铝为辅料,采用发泡-原位烧结技术一步法制备莫来石多孔陶瓷材料,系统研究了原始料浆固相含量、氧化铝含量及煅烧温度等对“三石基莫来石多孔陶瓷材料物理性能、相组成及显微结构的影响规律,建立结构与性能的有效调控机制,阐明“三石基莫来石的生成机理,优选出了合适的原料组成、料浆固相含量及煅烧温度;然后在上述研究基础上,分别引入锆英石、单斜氧化锆和锆刚玉,制备出莫来石-氧化锆多孔陶瓷材料,系统研究了锆源的种类及其添加量对试样性能、组成和显微结构的影响规律,并阐明了氧化锆的强韧机理。以蓝晶石和α-氧化铝为主要原料制备蓝晶石莫来石多孔材料的研究表明:随固相含量的增大,莫来石衍射峰增强,气孔尺寸减小,颗粒结合紧密,积密度和耐压强度升高,;随AlO含量的增多,莫来石衍射峰强度减弱,体积密度和耐压强度升高,显气孔率和重烧线变化减少;随煅烧温度的升高,体积密度和耐压强度增大,重烧线变化率减小,莫来石晶体长大、峰强增强。当固相含量55 vol%、氧化铝含量60%且煅烧温度1500℃时,试样的综合性能较佳,其体积密度0.49 g·cm,耐压强度1.02 MPa,线变化率-2.07%,重烧线变化率-1.65%。以红柱石和α-氧化铝为主要原料制备红柱石基莫来石多孔材料的研究表明:随固相含量的增多,体积密度和耐压强度增大,气孔尺寸减小;随氧化铝含量的增多,体积密度和耐压强度先减小后增大,莫来石衍射峰逐渐增强;随煅烧温度升高,体积密度和线变化率先减小后增大,莫来石衍射峰逐渐增强,莫来石以二维成核机制生长。当原始料浆固相含量55 vol%、氧化铝含量65%且煅烧温度1550℃时,试样综合性能较佳,其体积密度0.53 g·cm,显气孔率80.63%,耐压强度1.44 MPa,线变化率-1.15%,重烧线变化率-0.1%。以硅线石和α-氧化铝粉为主要原料制备硅线石基莫来石多孔材料的研究表明:随固相含量的增大,体积密度和耐压强度增大,试样的气孔尺寸逐渐减小,颗粒结合逐渐致密;随氧化铝含量的增加,试样的体积密度和耐压强度增大,莫来石衍射峰强度减弱;随煅烧温度升高,体积密度先减小后增大,莫来石衍射峰强度增强,其晶粒逐渐变粗,生成台阶状形貌。当料浆固相含量55 vol%、氧化铝含量65%且煅烧温度1600℃时,试样综合性能较佳,其体积密度0.57 g·cm,显气孔率81.56%,耐压强度2.95MPa,线变化率-6.06%,重烧线变化率-0.07%。在上述研究优化基础上,以蓝晶石和α-氧化铝为主要原料、引入不同锆源,制备出了莫来石-氧化锆多孔陶瓷材料,结果表明:以锆英石为锆源时,随其用量的增多,试样的体积密度和耐压强度先减小后增大,氧化锆均匀分布在莫来石晶界处;以单斜氧化锆为锆源时,随其用量的增多,试样的体积密度和耐压强度逐渐增大,氧化锆衍射峰逐渐增强,莫来石晶粒间均匀分布较多球状的氧化锆颗粒;以AZ40锆刚玉为锆源时,随其用量的增多,试样的体积密度和耐压强度先减小后增大,莫来石衍射峰的强度逐渐减弱,氧化锆的衍射峰逐渐增强。当以AZ40锆刚玉为锆源且用量为14 wt%时,试样增强效果较明显,其综合性能较佳,在体积密度0.46 g·cm、显气孔率82.97%情况下,耐压强度达3.85 MPa,线变化率1.02%。