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硅線石的粒度對剛玉——莫來石材料性能的影響

2017-09-26  來自: 南陽元昊礦產品公司 瀏覽次數:184

本文初步探討了硅線石的粒度及煅燒溫度對剛玉-莫來石材料的常溫物理性能的影響,研究表明(1)硅線石的分解溫度與其粒度有關,隨著粒度的增大,分解溫度升高。粒度小于0.088mm的硅線石在1400攝氏度就已經開始分解,而粒度為0.3-0.2mm的硅線石在1500攝氏度還沒有分解。(2)將不同粒度的硅線石加入到剛玉-莫來石材料中時,當煅燒溫度高于1500攝氏度時,試樣的燒后線變化隨著硅線石的粒度的增大而增大,試樣的耐壓強度則隨著粒度的增大而減小。

關鍵詞  硅線石 剛玉-莫來石 粒度 性能

紅柱石、藍晶石、硅線石同屬硅酸鹽系,化學組成為Al2O3?SiO2.是Al2O3-SiO2系中的重要的礦物。他們在加熱過程中轉變為莫來石,并產生一定的體積膨脹。粒度是影響其莫來石化的重要因素。本工作研究了硅線石的粒度對莫來石化以及對剛玉-莫來石材料性能的影響。

1         實驗

本實驗采用M60莫來石(2~1mm、1~0.5mm)為骨料,采用電熔白剛玉粉和不同粒度的硅線石為基質料。另外還有少量的結合劑氧化硅微粉和蘇州土。將這些原料按照下表的比例進行配料,硅線石的粒度分別為0.3~0.2mm、0.2~0.1mm和《0.088mm,對應的試樣編號依次為S1、S2、S3.每組配料加水攪拌5分鐘后,壓制為直徑36mm×36mm的試樣,然后將試樣在110攝氏度下干燥24小時后,分別在1400℃、1500℃、1600℃保溫3小時煅燒。用游標卡尺測量試樣煅燒前和煅燒后的直徑,計算出試樣的燒后線變化率;根據國家標準測定燒后試樣的顯氣孔率、體積密度和耐壓強度;用XRD分析硅線石燒后的相組成。

2         結果與分析

2.1    硅線石的粒度對復合材料的常溫物理性能的影響

圖1至圖3給出了試樣的常溫物理性能與煅燒溫度及硅線石粒度的關系。從圖1可以看出,隨著煅燒溫度的升高,試樣的燒后線變化率也在增大。而且試樣在1500-1600℃時的體積膨脹比1400-1500℃時要大。從圖1還可以看出,當煅燒溫度高于1500℃時,隨著加入硅線石的粒度越大,試樣的燒后線變化率也變大。圖2給出了試樣的先氣孔率和體積密度隨煅燒溫度與硅線石粒度的關系,與圖1相對應,試樣的顯氣孔率隨著溫度的升高而增大,體積密度則隨著溫度的升高而減小。隨著硅線石粒度的增大,試樣的顯氣孔率也在變大。圖3是不同溫度下硅線石的粒度對試樣的常溫耐壓強度的影響。從圖可知,隨著加入硅線石粒度的增大,試樣的的耐壓強度在減小,隨著溫度的升高,試樣的耐壓強度在下降。隨著溫度的升高,試樣內部開始進行莫來石化反應,由于相變占主導地位引起結構松弛,體積密度變小,耐壓強度下降。

2.2 分析與討論

在試樣的煅燒過程中將發生如下反應:

3(Al2O3?SiO2)→3Al2O3?2SiO2+SiO2  (1)

3SiO2+2Al2O3→3Al2O3?2SiO2  (2)

(1)       式為硅線石的分解反應,即一次莫來石化,此反應伴隨的體積膨脹為7~8%。(2)式反應生成的SiO2與試樣中的Al2O3的反應,即二次莫來石化反應。二次莫來石反應會產生較大的體積膨脹,一般為10%左右。在試樣的煅燒過程中,隨著溫度的升高,因燒結會導致體積收縮。所以試樣燒成后是膨脹還是收縮,要綜合考慮,以相變為主則表現為膨脹,以燒結為主則表現為收縮。

硅線石的分解程度與其粒度及煅燒溫度有關。對實驗所選用的硅線石分別在1500攝氏度、1600攝氏度保溫3小時進行煅燒,然后對燒后以及未燒的硅線石原料進行XRD分析。由于硅線石與莫來石晶體結構的相似性,兩種礦物X射線衍射圖譜很相似,用X射線方法區分難度很大。林彬蔭等經過對大量X射線衍射圖的分析研究發現:用硅線石和莫來石(220)峰作為特征峰,可以識別二者的混合物。

硅線石和莫來石的(220)峰具有中等衍射強度,他們的面網間距d值具有相對較大的區別:莫來石d(220)=0.2694nm,硅線石d(220)=0.2675nm,在利用較長波長光源,適當放慢掃描速度(5°/min),放大圖譜后,兩者的(220)峰可以很好的分開,可以作為衡量兩者的特征峰,如圖4。

從圖4可以看出,硅線石的粒度越大,開始分解溫度和完全分解溫度越高。由圖4(a)可知,在1500攝氏度燒成后粒度小于0.2mm的硅線石已經開始分解,莫來石M(220)峰已經出現,硅線石S(220)峰隨著粒度的減小而減小。粒度大于0.2mm的硅線石在1500攝氏度燒成后的XRD圖上沒有發現莫來石M(220)峰,說明還沒有開始分解。圖4(b)為各個粒度的硅線石在1600攝氏度燒后的XRD圖,從圖可知在1600攝氏度燒后,各個粒度的硅線石S(220)峰都迅速變弱,莫來石M(220)迅速增強,粒度小于0.088mm的硅線石的S(220)峰幾乎消失。說明各粒度的硅線石在1500-1600攝氏度之間快速分解,所以在圖1中試樣在1500-1600攝氏度時的體積膨脹比1400-1500攝氏度要快。石干等人曾對在材料中莫來石化行為做過研究,認為硅線石的一次莫來石化與二次莫來石幾乎同步完成,而且硅線石的一次莫來石化速度小于或接近其二次莫來石化速度。所以試樣在1500-1600攝氏度煅燒時,二次莫來石也在迅速生成,這是使試樣的體積膨脹的另外一個因素。從圖1可知,加入硅線石的粒度越小,試樣的體積膨脹越小。這是因為細顆粒會增加燒結的推動力,增加顆粒在液相中的溶解度,會加速燒結過程,使試樣的致密化速率提高。所以加入硅線石粒度小于0.088mm的試樣S3的體積膨脹相對小一些。

3         結論

(1)       硅線石的分解溫度與其粒度有關,隨著粒度的增大,分解溫度升高。粒度

于0.088mm的硅線石在1400攝氏度就已經開始分解,而粒度為0.3-0.2mm的硅線石在1500攝氏度還沒有分解。

(2)  將不同粒度的硅線石加入到剛玉-莫來石材料中時,當煅燒溫度高于1500攝氏度時,試樣的燒后線變化率隨著硅線石的粒度的增大而增大,試樣的耐壓強度則隨著粒度的增大而減小。

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