高致密度剛玉莫來石材料的研制

楊華亮

（1.佛山市南海金剛新材料有限公司，佛山 528200；2.佛山市陶瓷研究所股份有限公司，佛山 528000）

摘 要：本文選用兩種外加劑A、B來制備高致密度剛玉莫來石材料，其中A為產生液相物質，B為產生高溫結合相物質。試驗表明：添加劑A、B均可促進剛玉莫來石粉料的燒結，使吸水率下降、密度上升、燒成收縮增加、抗折強度增大。B添加劑性能更優，單獨添加較合適的比例分別為2wt%A，1wt%B。添加劑A、B可使樣品形成不同的微觀效果：A產生更多的液相，晶體表面部分熔融，晶體尺寸減小；B形成更多的結合相，晶體輪廓更分明，晶體尺寸增大。

關健詞：剛玉莫來石；添加劑；致密度

1 引言

隨著各種工業生產技術的不斷革新和節能環保的推進，多種燃料品種在工業窯爐中得到應用，高溫尾氣余熱也得到較充分的回收利用。燃料燃燒過程和陶瓷坯體燒結過程中會產生大量的腐蝕性氣體，這些高污染氣體易對爐膛耐材和窯具材料產生損害。

剛玉莫來石是一種常用的中高檔耐火材料。因其原料易得、價格適中、制品強度高、耐火度高、抗熱震性優良、應用非常廣泛[1]。如各種窯爐高溫窯具、高溫輥棒、耐火磚等，用于高溫爐膛作為內部構件材料時，可以直接接觸火焰。剛玉莫來石制品為多孔材料，孔隙率較高，一般在10 ～ 30%范圍，在高溫腐蝕性氣體環境中，受侵蝕尤為嚴重，其結果就是材料變脆，易剝落、開裂、折斷等，縮短使用壽命[2]。在確保剛玉莫來石材質不變的情況下，要增強制品的抗腐蝕性，最簡單的一種措施是提高制品的致密度，減少有害氣體的滲入，從而減少污染氣體的侵蝕，延長制品的使用壽命。

在不改變材質的前提下，要提高剛玉莫來石制品的致密度，有以下四種方法：

（1）采用大壓力成型設備，提高陶瓷生坯的致密度；

（2）提高燒成溫度，增大燒成收縮，從而提高制品致密度；

（3）添加易產生低溫液相的外加劑，在燒成時產生適量的液相，從而降低吸水率，提高致密度；

（4）添加高溫助燒劑，在高溫燒成時，產生高溫結合相，從而促進制品燒結，降低孔隙率，同時又基本不影響制品性能。

第一、二種方法受生產設備、生產條件的限制，在成型壓力、燒成溫度基本不變的情況下，本文主要采用第三、四種方法來制備高致密度剛玉莫來石材料。

2 實驗

2.1 工藝過程

原始剛玉莫來石粉料為生產車間正常生產用粉料，其成分如表1所示。

將其作為原始對照樣。選用兩種外加劑：第一種為含低溫主族元素的天然礦物A，價格低；第二種為含稀土元素的高溫氧化物B，價格較高。預先對A磨細加工到250目備用，B本身為細粉。A外加量（wt%）分別為0%、1%、2%、5%；B外加量（wt%）分別為0%、0.5%、1%、2%。在快速球磨機中球磨混勻，為盡量減輕球磨對原料粒度的影響，球磨時減少球石用量，料：球：水=1：1：0.5，球磨時間為1 min，烘干后造粒，壓條10 mm × 10 mm × 100 mm，以實際模具計算確定壓力為40 MPa，分別在1550℃和1650℃下保溫2 h燒成得到樣品。

2.2 測試

測試樣品的燒成收縮率、吸水率、密度、抗彎強度，用排水法測吸水率和密度，在TZ-4000抗折儀上測試抗彎強度，用掃描電子顯微鏡觀察樣品斷口表面形貌。

3 結果與討論

3.1吸水率

圖1（a）、（b）分別為添加外加劑A、B后樣品吸水率與添加量的關系曲線，添加A的樣品初期吸水率下降明顯，后期則平緩，在高溫1650℃添加5wt%時則有輕微上升，說明此時由于產生液相量較多，樣品已過燒；與A相比，添加B的樣品吸水率下降趨勢更明顯，在添加2wt%時吸水率僅1.09%，說明添加B的助燒效果明顯優于A。

3.2密度

圖2為分別添加A、B樣品的密度與添加量的關系曲線，A添加劑可促使樣品平緩升高，但高溫燒成時過多則反而輕微下降，這與吸水率的變化規律相同，由于高溫產生液相過多導致。從圖中可以看出A的較佳添加量為2wt%。添加B對提高密度作用明顯，少量加入即可明顯提高樣品密度?？紤]價格因素，B的較佳加入量為1wt%。

3.3燒成收縮率

燒成收縮與A、B加入量的變化規律如圖3所示，添加A時，低溫1550℃收縮率隨加入量的升高而增大，但高溫1650℃則在加入2wt%之后減小，說明過燒導致輕微膨脹。B添加劑對增大樣品收縮的影響更明顯，助燒作用更強。

3.4抗折強度

圖4反應抗折強度與A、B添加量的關系，在低溫1550℃燒成時開始強度升高明顯，助燒結作用較強，但由于溫度低，繼續加入時并不能形成更多的結合物質，強度升高緩慢。添加B樣品在高溫1650℃燒成時抗折強度明顯升高，這是由于生成更多的結合相。而A添加5wt%在高溫1650℃燒成時由于液相量過多強度略下降。

3.5 SEM圖像

圖5為無外加劑、外加2wt% A、外加1wt%B的樣品在1650℃燒成后放大500倍時斷口表面SEM圖，圖中可看出加入適量A、B后樣品內部孔隙均明顯減少，說明外加劑A、B均可起到致密化作用。

圖6為無外加劑、外加2wt% A、外加1wt%B的樣品在1650℃燒成后放大2000倍時斷口表面SEM圖，圖中可看出，無外加劑原始樣品孔隙較多，少量的液相和結合相將顆粒晶相粘結成小范圍的團聚體，團聚體之間尚有一些輪廓較分明的粒狀剛玉晶體和柱狀莫來石晶體。

添加2wt%A的樣品，粘結的團聚體明顯范圍增大，孔隙明顯減少，但是團聚體之間的粒狀和柱狀晶體輪廓不分明，且尺寸較小，這是由于A添加劑的加入使產生的液相增加，這些液相粘結更多的晶體，產生更多的液相晶界，并使晶體表面部分熔融，外形輪廓圓滑。而加入1wt%B的樣品，同樣形成了更多的團聚體，孔隙明顯減少，但團聚體之間和內部的粒狀晶體和柱狀晶體輪廓更分明，而且晶體長大，數量增多，原因是B添加劑在坯體中生成高溫結合晶相，而液相少，這些高溫結合晶相在晶體之間形成晶界，將晶體結合起來，而較少的液相也使莫來石晶體容易生長，不易溶解。這種多晶微觀結構將有助于提高制品的耐火性能和強度以及抗熱震性能。

圖7為無外加劑、外加2wt% A、外加1wt%B的樣品在1650℃燒成后放大4000倍時斷口表面SEM圖。圖中更明顯地可以看出A、B添加劑的不同效果：孔隙均減小，A產生更多的液相，晶體表面部分熔融，晶體尺寸減??；B形成更多的結合相，晶體輪廓更分明，晶體尺寸增大。

4 結論

（1）添加劑A、B均可促進剛玉莫來石粉料的燒結，可使吸水率下降，密度上升，燒成收縮增加，抗折強度增大。B添加劑性能更優，單獨添加較合適的比例分別為2wt%A，1wt%B。

（2）添加劑A、B可使樣品形成不同的微觀效果：A產生更多的液相，晶體表面部分熔融，晶體尺寸減?。籅形成更多的結合相，晶體輪廓更分明，晶體尺寸增大。

參考文獻

[1] 謝志鵬. 結構陶瓷[M]. 清華大學出版社， 2011.

[2] 袁林， 陳學峰， 劉錫俊. 綠色耐火材料[M]. 中國建材工業出版社， 2015.