堇青石合成及晶须原位增强堇青石质隔热材料的研究

发布时间：2020-03-29 04:13

【摘要】：堇青石是MgO-Al_2O_3-SiO_2体系中一种重要的三元化合物,具有较低的热膨胀系数,是优良的高温抗热震材料。堇青石陶瓷材料作为汽车尾气净化装置和催化剂载体等方面的使用,使堇青石质材料得到了前所未有的重视。由于人工合成堇青石所用的原料化学矿物组成较复杂,且堇青石的烧成温度范围较窄,使得制备的堇青石材料难以获得低的热膨胀系数和优良的力学性能。堇青石轻质材料既具有堇青石的优良性能,又具有轻质材料抗腐蚀、耐高温、隔热良好等性能,因此,获得高品质堇青石的同时,制得显微结构优异、性能优良的堇青石质隔热材料具有重要的研究意义。本论文首先采用不同原料和工艺合成堇青石材料,优化了原料配比和工艺流程,探究了合成堇青石的物相演变过程;然后通过引入添加剂ZrO_2、WO_3和陶瓷纤维,探讨了添加剂的引入量、引入方式及陶瓷纤维的种类对堇青石材料热膨胀系数和显微结构的影响;通过引入陶瓷纤维和AlF_3,并采用淀粉固结成型工艺制备了堇青石质隔热材料和堇青石-莫来石轻质隔热材料,形成具有陶瓷纤维/莫来石晶须分级结构的复合材料,探究该结构的形成机理及其对材料性能的影响。主要研究工作及结论如下:(1)以蓝晶石、红柱石、粘土、滑石为原料合成制备了堇青石材料。合成堇青石所用的原料和工艺对其性能影响较大,以滑石和蓝晶石为原料可制得致密化程度较好的堇青石材料。在一步煅烧的基础上引入预合成堇青石经二步煅烧后,材料中堇青石相的峰强明显增强,当预合成堇青石与原料配比为2:1时材料的体积密度最大,为2.18 g/cm~3,显气孔率为13.9%,且堇青石晶粒发育良好,晶粒尺寸较大。(2)以预合成镁铝尖晶石、预合成莫来石和单纯氧化物为原料合成制备了堇青石材料,研究了合成堇青石的相演变过程。研究发现,起始原料中的物相对堇青石的开始形成温度影响不大,均在1250℃左右开始形成,并且在相演变过程中都有镁铝尖晶石相的出现。以预合成镁铝尖晶石或莫来石为起始原料合成的堇青石材料的致密化程度明显优于以纯氧化物为起始原料合成的堇青石材料,并且晶粒发育更完整。(3)研究了ZrO_2、WO_3和陶瓷纤维的引入对堇青石材料热膨胀系数的影响。ZrO_2的引入可以促进堇青石相生成,明显降低了材料的热膨胀系数,其中以天然含锆蓝晶石为原料的方式引入所合成的堇青石材料的平均热膨胀系数最小;引入WO_3可以降低堇青石的合成温度,同时消除中间相镁铝尖晶石,其中以天然含锆蓝晶石为原料引入15 wt.%WO_3制得的堇青石陶瓷材料致密化程度较高,热膨胀系数较小;硅酸铝陶瓷纤维的引入可以明显降低堇青石材料的热膨胀系数,同时材料获得较高的强度。(4)采用不同种类淀粉固结成型制得了性能优良的堇青石-莫来石轻质隔热材料。以小麦淀粉为造孔剂和固化剂制备的材料具有分布均匀的气孔、且强度最高,在淀粉燃尽后留下的孔洞中堇青石晶粒发育良好。引入陶瓷纤维在AlF_3的作用下,在陶瓷纤维表面生成发育较好的晶须,堇青石-莫来石轻质隔热材料的力学性能得到显著增强,导热系数降低。(5)采用淀粉固结成型工艺制得具有硅酸铝陶瓷纤维/莫来石晶须分级结构的堇青石质隔热材料。当硅酸铝陶瓷纤维(玻璃态)结晶时,形成了小尺寸的莫来石晶核,而富硅的纤维提供硅源来促进莫来石晶须的形成,在烧结过程中,生成的低熔点的液相可以堵塞AlOF(g)和SiF_4(g)的逸出通道,莫来石晶须在硅酸铝陶瓷纤维表面生长良好,晶须部分穿插在发育较好的六方柱状堇青石晶体中。由于原位形成的莫来石晶须构造了一个联锁结构,提高了力学性能,同时,在孔隙中形成的莫来石晶须能在传导过程中分散热量,而较长的传导路径导致材料的导热系数降低。
【图文】：

堇青石,高温型,低温型,晶型结构

图 1.1 堇青石的两种晶型结构（a: 低温型 b: 高温型） Two crystalline structures of cordierite(a: low temperature type b: high temperatu量的研究表明：堇青石晶体呈现各向异性的热膨胀[19-21]，，如图 1.2 所示看出，堇青石晶体在 a 轴方向上是正值，在 c 轴方向上是负值，这样在呈现出负的热膨胀，从而使得材料整体就显示出非常小的热膨胀。研究

堇青石,热膨胀系数,晶体

3图 1.2 堇青石晶体在 a 轴和 c 轴方向的热膨胀系数hermal expansion coefficient of cordierite crystals along
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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