孟丹毕业论文校正版

第1页摘要堇青石由于其较低的热膨胀系数，被广泛运用于耐火陶瓷工业。但天然的堇青石含量很少,工业上大都用人工合成的堇青石。粉煤灰的主要成分是二氧化硅和氧化铝,其含量与制作堇青石的原料配比相近,因此，可以研究利用废弃物粉煤灰制备高性能的堇青石陶瓷材料的可能。本文利用高铝粉煤灰（含量超过37%）为主要原料，硅灰粉和镁砂作为辅助配料，采用压制成型、煅烧合成的工艺制备堇青石，并探讨了几种添加剂对高铝粉煤灰、硅灰粉和镁砂合成堇青石的性能影响。经X射线衍射（XRD）、电子显微镜（SEM）组织结构分析及热膨胀特性测试，结果表明：试样在1200℃下基本不反应，当温度升高到1250℃以后，生成物中开始检测到堇青石，在1310℃下，有大量堇青石晶体合成，其中添加碳酸锂2%的效果最明显，其实样已出现熔融，热膨胀系数为6-12.20710℃（20℃-600℃）。通过对比得出，原配料试样的热膨胀系数比添加剂试样的要高。添加剂碳酸锂和二氧化钛均能改善堇青石的合成性能。关键词：高铝粉煤灰，堇青石，热膨胀系数，添加剂第2页AbstractCordieriteduetoitslowthermalexpansioncoefficient,iswidelyusedinceramicindustry.Butverylittlenaturalcordieritecontent,industrymostlycordieritesynthesized.Themainingredientsofflyashissilicaandalumina,rawmaterialratioanditscontentandproductionofcordieritearesimilar,therefore,canbestudiedusingthepreparationofhighperformanceflyashwasteofcordieriteceramics.Inthispaper,theuseofhighaluminaflyash(contentofmorethan37%)asthemainrawmaterial,silicaandmagnesiapowderasauxiliaryingredients,thepressmolding,processforpreparingcalcinedsynthesisofcordierite,anddiscussedtheeffectofseveraladditivesonpropertiesofhighaluminaflyash,silicapowderandmagnesiasyntheticcordierite.ByX-Ray(XRD),SEMtest,structureanalysisandthermalexpansionresultsshowthat:thesampleat1200℃thefollowingbasicnoreaction,whenthetemperatureisincreasedto1250℃,creationbegantodetectcordierite,at1310℃,therearealargenumberofcordieritecrystals,whichadditionoflithiumcarbonate2%effectisthemostobvious,infact,likehasbeenmelting,thermalexpansioncoefficientis1610207.2K(20℃-600℃).Bycomparing,therawmaterialthermalexpansioncoefficientishigherthanadditivesamples.Synthesisofadditivelithiumcarbonateandtitaniumdioxidecanimprovethecordierite.Keywords:flyash,cordierite,thermalexpansioncoefficient,additives第3页前言先进陶瓷材料具有其它材料如金属材料、高分子材料等不可比拟的优点：耐高温、抗氧化、耐磨损、高硬度、不老化等，得到人们的广泛重视，并正逐渐在克服其固有的缺点(一般抗拉强度低、韧性差、工艺重复性差)的过程中有惊人的发展。陶瓷的耐高温、耐磨损等优点，已经在现代工业中被广泛应用于各种高温环境中。正是由于先进陶瓷材料具有美好的发展前景和广阔的应用领域，世界上各先进国家都对其投入密切的关注，并积极研究将其作为燃气轮机、汽车发动机和其它热机的结构材料，逐渐将其推向实用化。目前陶瓷材料不仅在钢铁工业、汽车工业、原子工业、切削刀具工业部门，在生物以及日常生活等领域也广泛被应用，尤其在高温、耐磨、腐蚀性等苛刻环境中更是相得益彰。陶瓷材料虽然具有上述的诸多优点，但是也存在明显的不足之处。其中韧性差、抗热震性能低是最为突出的问题。在陶瓷材料中，材料的强度与材料的抗热震性能往往成相反发展的趋势，也就是说，强度高的材料其抗热震性能一般都很差。在高温环境中，尤其是伴随有急剧的加热和冷却的高温环境，需要材料具有良好的抗热震性能，这种情况下一般的陶瓷材料就难以胜任。如在各种冶金厂里盛装液态金属的容器就不可避免地在急冷急热条件下工作。因此研究具有高抗热震性能材料是具有实际意义的工作。W.D.Kingery曾指出材料的抗热震性主要取决于材料的热膨胀系数和热传导率。在热移动速度大的时候，热膨胀系数对材料的抗热冲击起决定作用。提高无机非金属材料的抗热震性能，最有效的方法就是降低材料的热膨胀系数，因而低热膨胀系数材料倍受青睐。从室温至1000℃的热膨胀系数小于-6-1210K的陶瓷材料，有石英玻璃、锂辉石、堇青石、磷酸锆以及钛酸铝等。其中，堇青石以低的热膨胀系数、良好的高温稳定性和化学稳定性以及介电性质，已在冶金、电子、汽车、化工、环境保护等领域获得广阔的应用前景。堇青石化学成分为2322MgO2AlO5SiO，它是一种硅酸盐矿物，在自然界中含量低，很少富集成矿。堇青石具有三种同质多晶变体，即高温堇青石（α型）、低温堇青石（β型）和低温亚稳态堇青石（γ型）。高温堇青石即印度石，天然产出很少只在印度少有发现而得名，属于六方晶系、六元环状硅酸盐晶体；β型低温堇青石属斜方晶系；γ型，低温亚稳定，在925℃不可逆的转变为α型。关于高温型和低温型合成条件的差异，王辅亚的研究表明，通过固相烧结合成出的堇青石，随烧成温度的提高，首先是高能量无序的高温相，在一定范围内，随合成温度的有序度提高，但由于堇青石的不一致熔融和烧成范围狭窄等特性，温度过高时，出现液相，使无序度又增大。印度石平均热膨胀系数第4页6-10.8510℃,a轴和b轴向为6-11.2810℃。堇青石整体平均热膨胀系数6-11.5410℃，a轴和b轴向为6-12.3110℃。粉煤灰曾经被当作一种燃煤企业的固体废弃物,由于对环境的污染而成为三废治理的重点,现在对于粉煤灰的开发利用逐步展开。粉煤灰主要由飞灰和底灰构成(80%～90%的飞灰,10%～20%的底灰),是一种以2SiO和23AlO为主的固体废弃物,本实验用的粉煤灰为高铝粉煤灰，其中23AlO的含量已达到制备堇青石陶瓷材料的要求。本研究的主要目的就是为了探讨粉煤灰制备堇青石的可能性，并研究在添加剂的条件下是否能制得性能优异的堇青石陶瓷。第5页1文献综述1.1堇青石的研究进展目前，普遍认为堇青石具有三种同质多晶变体，即高温堇青石（α型）、低温堇青石（β型）和低温亚稳态堇青石（γ型）。高温堇青石也称印度石，天然产出很少只在印度少有发现而得名，属于六方晶系、六元环状硅酸盐晶体，空间群为P6/mcc，晶胞参数为：a=9.800，c=9.345，高温稳定；β型低温堇青石属斜方晶系，低温稳定，在1450℃缓慢转变为α型；γ型，低温亚稳定，仅在相当于堇青石成分的玻璃体在850-925℃发生重结晶时生成，在925-1150℃长时间保温则可慢慢转化为α-堇青石或β-堇青石，但这种转化是不可逆的。目前的研究主要集中在中α-堇青石上。从原子排布来看，α-堇青石和β-堇青石的区别在于Al、Si原子的有序程度，斜方晶系中Al、Si原子完全有序排列。而在六方结构中，由五个硅氧四面体4[SiO]和一个铝氧四面体4[AlO]共角相连形成六元环，其中4[AlO]位置随机排列，六元环沿C轴排列，两层之间互错/6π，六元环之间由镁氧八面体6[MgO]与铝氧四面体4[AlO]沿C轴相连，镁氧八面体6[MgO]与铝氧四面体4[AlO]共棱连接，从而构成稳定的堇青石结构。六方晶系的堇青石其六元环内径为0.58nm。这样晶体结构中存在着两种平行C轴的空穴C1和C2，C2位于四面体形成的六元环中心，直径约为0.25nm；C1位于上下两个六元环之间，直径约为0.5nm。这样，沿C轴方向上下迭置的六元环内便形成了一个空腔，离子受热后，振幅增大，但由于能够向结构空隙中膨胀，所以不发生明显的体积膨胀，因而热膨胀系数较小。实验测定α-堇青石和β-堇青石的热膨胀系数分别为6-11.010℃和6-12.310℃(0-800℃)。工业上人工合成的堇青石陶瓷的主晶相大都为过渡型（也称混合型）堇青石，即同时含有α-堇青石和β-堇青石的混合型堇青石。1929年，W.M.cohn和F.singer首先报道了用43％滑石，35％粘土和22％23AlO合成出膨胀系数为6-10.5310℃(0-200℃)陶瓷坯体。后来，R.F.Geller等人又先后在扩大堇青石煅烧温度范围，滑石的代用品（绿泥石，菱镁矿和低等级石棉等）和合成堇青石微粉等方面取得了成果，探明了添加锆英石、3BaCO、第6页3PbSi、长石和SiC等对合成堇青石煅烧性能、电性能、热膨胀及矿物组成等诸方面的影响。后来，许多研究人员又对堇青石及其新产品进行了研究，例如日本的早川秀治等研制成了堇青石－碳化硅，堇青石－碳化硅－刚玉制品，佐野资郎研究出一种通过添加锆酸钡扩大堇青石煅烧范围的新方法。实际生产中，随着研究成果的不断涌现，堇青石制品的质量不断提高。在70年代，一家美国公司投资了一项较大的研究项目，目标是加强对堇青石的了解并开拓其在汽车工业化的催化式排气净化器载体方面的应用。这些研究引发了200多项关于该物质本身即相关产品开发工艺的专利注册，堇青石陶瓷开始获得广泛的应用，也随之产生了诸多以堇青石为基体的复合材料。堇青石陶瓷越来越成为现代工业中一种重要的材料，受到普遍的重视。目前，世界上以美国，德国，日本的堇青石产品质量最优。1.2影响堇青石材料性能的因素对于普通的陶瓷材料，影响其热膨胀性能的因素主要有晶相及玻璃相的组成、含量、晶粒形状大小及排列方式，气孔大小、多少及分布，微裂纹的尺寸及数量等。但堇青石材料由于其晶体结构的特殊性和热膨胀系数的各向异性，不一致熔融及比较窄的烧成范围等因素的影响，导致晶粒的排列，杂质离子的填充，烧成工艺等都对堇青石的性能产生很大的影响。归纳起来有以下几个方面：1.2.1化学组成的影响堇青石的理论组成为：39.6％的滑石，47％的粘土和13.4％的氧化铝，可是这种瓷坯的瓷化温度范围短，以至于不能在工业窑炉中烧成。因此，其配方组成都是略偏向23AlO、MgO一侧虽然其中的机理尚不清楚，但己被大部分时间证明。1.2.2杂质离子的影响（1）由于天然堇青石数量少，性能差。要使制品既具有～定的强度，又有较长的使用寿命，并朝着节能、优质、高产的方向发展，一般须采用高纯超细的23AlO、MgO和2SiO粉合成高纯堇青石，合成温度高达1350℃-1440℃。原料成本高、能源消耗大，所以高纯堇青石合成原料的售价很高，因而不能广泛第7页的应用。高纯度的原料，能够合成出高纯度的堇青石，但是原料纯度高，杂质少，晶体中形成的杂质缺陷的浓度低，不利粒子的扩散，这样使固相反应速度慢，烧结致密度差，影响了堇青石材料的强度和使用寿命。原料中某些杂质的存在，不仅可