利用石英砂合成堇青石陶瓷的相变及性能
发布时间：2020-10-19 19:26
我国作为陶瓷生产大国,消耗了大量的粘土资源,导致粘土资源储量急剧下降,同时也对环境造成了巨大的破坏。为了解决陶瓷工业发展面临的原料问题,本文提出了利用主要成分为二氧化硅的沙漠风积沙取代常见粘土原料,通过粉末烧结法合成堇青石陶瓷,并加入氧化钇、氧化钕烧结助剂改善堇青石陶瓷的微观结构与力学性能。以储量丰富的沙漠风积沙为原料来制备陶瓷,对于陶瓷绿色生产、节约矿物资源和保护生态环境具有重要意义。粉末烧结法是目前最常见的陶瓷制备方法,但利用高纯原料制备堇青石陶瓷的烧结性能较差,表现为烧结温度高,堇青石含量低,成品孔隙率高。通过添加合适的烧结助剂可以改善堇青石陶瓷的烧结性能,降低烧结温度,增大瓷体致密度与机械强度。本文先对堇青石陶瓷的成分及烧结工艺进行了研究,然后研究了稀土氧化物对陶瓷相转变、微观组织、孔隙率、弯曲强度、热膨胀系数的影响。风积沙中的低熔点杂质成分在高温时易形成液相,Al~(3+)和Mg~(2+)的扩散速度更快,有利于提高堇青石的扩散形核速率。Y_2O_3的适量加入可以显著促进中间相向堇青石相的转变,当Y_2O_3添加量为4 wt%时,堇青石的形成温度最低。当在1300℃保温4小时,Y_2O_3含量达到6 wt%时,陶瓷由α-堇青石组成,基体中只残留少量玻璃相。Y_2O_3的添加使得陶瓷玻璃相增加,开口孔逐渐向闭口孔转变,陶瓷致密度增加。随着Y_2O_3含量的增加,Y~(3+)主要富集于液相,在堇青石晶体中的固溶度并不高,对陶瓷整体的热膨胀系数增加幅度不大。随着Y_2O_3含量的增加,陶瓷的弯曲强度增加,并在添加量为10 wt%时达到最大值。Nd_2O_3作为烧结助剂,具有促进堇青石的形成作用。Nd_2O_3含量为6 wt%时,堇青石的形成温度最低。在1300℃保温4小时,中间相几乎全部消失,堇青石的生成量最高。随着Nd_2O_3含量的逐渐增加,陶瓷气孔逐渐减少,致密度增加。陶瓷的弯曲强度随着Nd~(3+)含量的增加而增加,热膨胀量随Nd_2O_3含量的增加大致呈线性增加,但增加量不大。通过对比,发现Na_2B_4O_7对堇青石形成的促进作用不如Y_2O_3大,添加Na_2B_4O_7形成的液相烧结也不能有效地促进中间相尖晶石分解,但Na_2B_4O_7形成液相的能力更大,对陶瓷致密度有着更好的促进作用。
【学位单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.1
【部分图文】：
图 1-1 α-堇青石晶体结构示意图Fig. 1-1 Structure of α-cordierite crystal堇青石晶体沿 a 轴和 c 轴的热膨胀系数分别为 2.5×10-6/℃和-0.9×10-6/℃，平均值1.0)×10-6/℃[24]。但实际堇青石陶瓷由于杂质元素存在，测得的热膨胀系数高于。表 1-1 为几种陶瓷的热膨胀性能比较。表 1-1 几种陶瓷和堇青石陶瓷的物理性能[25]Table 1-1 Physical properties of several ceramic and cordierite ceramics物理性能 氧化铝 莫来石 堇青石热膨胀系数α (×10-6/℃) 8.1 5.0 1.5介电常数ε (25℃) 9.5 6.6 5.0弯曲强度σbb(MPa) 350 270 245
利用球磨机加水湿磨，然后对烘干的粉料进行压力成型，最后在烧结炉中以不同温度进行烧结，具体工艺如图2-1 所示。图 2-1 陶瓷制备工艺流程Fig. 2-1 Preparation process of ceramic2.1.1 球磨物料粉碎的方式有多种，包括：机械冲击式粉碎、滚筒球磨、行星式球磨、振动粉碎、气流粉碎等，其中行星式球磨是一种经济、高能、高效的研磨方式。行星式球磨机的转盘上装有四个尼龙球磨罐。在控制器中设定好转速（公转：30 r/min）后，球磨罐围绕转盘轴心做高速公转运动，同时每个球磨罐本身做高速自转运动，最终罐体中的物料在磨球的高速作用下被混匀和研磨。与其它研磨方式相比较，行星式球磨具有以下特点：1. 出料粒度较小，最小可达到 0.5 μm。2. 球磨罐转速快，研磨时间短，效率高。3. 密封效果好，取样方便，安全性高，无污染与损耗。实验时，将配制好的物料放入 QM-ISP2-CL 行星式球磨机，经编号后进行球磨，球磨参数为：物料/氧化锆磨球/水=1/3/1，球磨时间 5 h。出料时
图 2-2 平均粒度Fig. 2-2 The average particle size2 干燥助热能使物料脱水的过程称为干燥。物料中的水分按照结合方式可分为、吸附水及化学结合水。自由水（机械结合水）是物料直接与水接触而很容易被排除，但极易引起坯体体积收缩。吸附水是物料中的颗粒表面水分形成的，排除后坯体体积几乎不产生收缩。化学结合水是指以原子形式包裹在矿物原料分子结构中的水分，如结晶水、结构水。由于水分，不易被排除，一般排除结构水需要 400~600°C 的温度。验时，将球磨好的浆料灌入搪瓷杯，编号后放入干燥箱中进行干燥。干为 100°C，干燥时间为 24 h。3 粉碎
【参考文献】
本文编号：2847623
【学位单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.1
【部分图文】：
图 1-1 α-堇青石晶体结构示意图Fig. 1-1 Structure of α-cordierite crystal堇青石晶体沿 a 轴和 c 轴的热膨胀系数分别为 2.5×10-6/℃和-0.9×10-6/℃，平均值1.0)×10-6/℃[24]。但实际堇青石陶瓷由于杂质元素存在，测得的热膨胀系数高于。表 1-1 为几种陶瓷的热膨胀性能比较。表 1-1 几种陶瓷和堇青石陶瓷的物理性能[25]Table 1-1 Physical properties of several ceramic and cordierite ceramics物理性能 氧化铝 莫来石 堇青石热膨胀系数α (×10-6/℃) 8.1 5.0 1.5介电常数ε (25℃) 9.5 6.6 5.0弯曲强度σbb(MPa) 350 270 245
利用球磨机加水湿磨，然后对烘干的粉料进行压力成型，最后在烧结炉中以不同温度进行烧结，具体工艺如图2-1 所示。图 2-1 陶瓷制备工艺流程Fig. 2-1 Preparation process of ceramic2.1.1 球磨物料粉碎的方式有多种，包括：机械冲击式粉碎、滚筒球磨、行星式球磨、振动粉碎、气流粉碎等，其中行星式球磨是一种经济、高能、高效的研磨方式。行星式球磨机的转盘上装有四个尼龙球磨罐。在控制器中设定好转速（公转：30 r/min）后，球磨罐围绕转盘轴心做高速公转运动，同时每个球磨罐本身做高速自转运动，最终罐体中的物料在磨球的高速作用下被混匀和研磨。与其它研磨方式相比较，行星式球磨具有以下特点：1. 出料粒度较小，最小可达到 0.5 μm。2. 球磨罐转速快，研磨时间短，效率高。3. 密封效果好，取样方便，安全性高，无污染与损耗。实验时，将配制好的物料放入 QM-ISP2-CL 行星式球磨机，经编号后进行球磨，球磨参数为：物料/氧化锆磨球/水=1/3/1，球磨时间 5 h。出料时
图 2-2 平均粒度Fig. 2-2 The average particle size2 干燥助热能使物料脱水的过程称为干燥。物料中的水分按照结合方式可分为、吸附水及化学结合水。自由水（机械结合水）是物料直接与水接触而很容易被排除，但极易引起坯体体积收缩。吸附水是物料中的颗粒表面水分形成的，排除后坯体体积几乎不产生收缩。化学结合水是指以原子形式包裹在矿物原料分子结构中的水分，如结晶水、结构水。由于水分，不易被排除，一般排除结构水需要 400~600°C 的温度。验时，将球磨好的浆料灌入搪瓷杯，编号后放入干燥箱中进行干燥。干为 100°C，干燥时间为 24 h。3 粉碎
【参考文献】
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本文编号：2847623
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