堇青石—莫來(lái)石棚板抗熱震性能的研究

賀俊

摘 要 采用莫來(lái)石為骨料，堇青石為基料制作堇青石—莫來(lái)石棚板，研究莫來(lái)石與堇青石配比、骨料種類、燒成溫度等因素對(duì)材料抗熱震性能的影響。

關(guān)鍵詞 堇青石；莫來(lái)石；抗熱震性能

0 前 言

隨著低溫快速燒成制度的推廣，堇青石—莫來(lái)石窯具在我國(guó)現(xiàn)代陶瓷工業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。堇青石—莫來(lái)石棚板以莫來(lái)石為骨料、堇青石為基料燒制而成。由于堇青石具有（SiO2）n圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中有較大的空隙，故具有熱膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)，而莫來(lái)石熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)致兩種材料的膨脹系數(shù)不匹配，使得兩相界面形成微細(xì)裂紋，能有效降低溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，有效地避免了災(zāi)難性裂紋的擴(kuò)散，極大地提高了堇青石—莫來(lái)石質(zhì)耐火材料的熱穩(wěn)定性能；同時(shí)，由于莫來(lái)石晶體的耐火度高（熔點(diǎn)為1 810 ℃）、機(jī)械強(qiáng)度高（室溫下抗彎強(qiáng)度為49 MPa），因此使用莫來(lái)石做骨料能有效地提高棚板的高溫強(qiáng)度。

堇青石—莫來(lái)石棚板在使用過(guò)程中通常受到溫度快速變化的影響，產(chǎn)生了較高的熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，使得棚板的強(qiáng)度逐漸降低，最終形成災(zāi)難裂紋的產(chǎn)生，使棚板開裂。因此，要緩解熱應(yīng)力增長(zhǎng)對(duì)堇青石—莫來(lái)石棚板使用壽命的影響，就必須提高堇青石—莫來(lái)石棚板的抗熱震性能。

本文采用不同粒度堇青石與莫來(lái)石為主要原料，加入適量的粘土和Al2O3，按不同比例混料制備出多個(gè)試樣。通過(guò)對(duì)試樣測(cè)試，研究在堇青石—莫來(lái)石棚板的制備過(guò)程中，原料、配方、工藝等因素對(duì)材料抗熱震性能的影響，分析提高棚板壽命的措施。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料

燒結(jié)莫來(lái)石（1～3mm）、電熔莫來(lái)石（1～3mm）、電熔莫來(lái)石（0～1mm）、合成堇青石（0～0.3 mm）、蘇州土（機(jī)選1號(hào)）和Al2O3微粉

1.2樣品制作

按不同配比進(jìn)行配料，加入適量的水和成型助劑，在50Mpa壓力下壓制成150mm×40mm×10mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，經(jīng)干燥后燒成。

1.3性能測(cè)試

（1）試樣的強(qiáng)度。采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量。

（2）抗熱震性能的測(cè)試。將試樣升至1 000℃后水冷，反復(fù)測(cè)試直至試樣產(chǎn)生宏觀裂紋的次數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1堇青石、莫來(lái)石比例對(duì)抗熱震性的影響。

以電熔莫來(lái)石（1～3mm）、電熔莫來(lái)石（0～1mm）、合成堇青石（0～0.3 mm）為主要原料，其中電熔莫來(lái)石（1～3mm）、電熔莫來(lái)石（0～1mm）按1：1的比例先預(yù)混后使用，再加入堇青石，在保證其他條件相同的情況下，通過(guò)改變堇青石、莫來(lái)石的比例（質(zhì)量比）制備出不同的樣品，測(cè)試其抗熱震性（見表1）。

從表1中可以看出，從A→C隨著堇青石、莫來(lái)石比值的下降，材料中莫來(lái)石比例的上升，試樣能經(jīng)受的熱震次數(shù)越多，材料的抗熱震性越好。分析其原因，材料的抗熱震性與其顯微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在堇青石中加入莫來(lái)石，由于莫來(lái)石和堇青石的熱膨脹系數(shù)不一致，試樣在燒成后冷卻的過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力使莫來(lái)石顆粒和堇青石基質(zhì)之間產(chǎn)生微裂紋。在試樣經(jīng)受熱震的過(guò)程中，這些微裂紋可以吸收部分?jǐn)嗔压Γ⒁詼?zhǔn)靜態(tài)方式擴(kuò)展，當(dāng)熱震裂紋擴(kuò)展到這些微裂紋周圍時(shí)將會(huì)分岔鈍化偏轉(zhuǎn)或停止生長(zhǎng)。隨著莫來(lái)石含量的增大，骨料和基質(zhì)二者熱膨脹系數(shù)差異增大，更利于在界面產(chǎn)生微裂紋，而且裂紋長(zhǎng)度增大、數(shù)量增多，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此試樣的抗熱震性能提高。

但是從C→F隨著堇青石、莫來(lái)石比值的進(jìn)一步下降，莫來(lái)石比例的進(jìn)一步增加，試樣能經(jīng)受的熱震次數(shù)反而越來(lái)越少。分析其原因：過(guò)多莫來(lái)石反而會(huì)縮小骨料和基質(zhì)熱膨脹系數(shù)的差異，不利于微裂紋產(chǎn)生。

總的來(lái)說(shuō)，堇青石—莫來(lái)石棚板的抗熱震性，與材料顯微結(jié)構(gòu)中微裂紋的產(chǎn)生情況密切相關(guān)。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)莫來(lái)石與堇青石的比例，增大骨料和基質(zhì)熱膨脹系數(shù)的差異，有利于棚板的抗熱震性能的提高。我們得出結(jié)論：在堇青石—莫來(lái)石棚板中，堇青石、莫來(lái)石的質(zhì)量比在4：1時(shí)較為合適。

2.2骨料種類對(duì)抗熱震性的影響。

在4份堇青石中分別加入1份電熔莫來(lái)石和1份的燒結(jié)莫來(lái)石，在相同的條件下制成樣品，測(cè)試其抗折強(qiáng)度與抗熱震次數(shù)（見表2）。

從中我們可以發(fā)現(xiàn)，采用電熔莫來(lái)石做骨料的試樣，其抗折強(qiáng)度低于采用燒結(jié)莫來(lái)石的試樣，但其抗熱震性能更優(yōu)。分析其原因：由于燒結(jié)莫來(lái)石的活性大大高于電熔莫來(lái)石，在燒成時(shí)具有更高的活性，制備出的樣品強(qiáng)度更高。一方面，強(qiáng)度的提高常常伴隨著彈性模量的提高，而彈性模量的提高會(huì)減弱試樣緩沖熱應(yīng)力的能力；另一方面，強(qiáng)度高的試樣在燒成后冷卻的過(guò)程中，應(yīng)力不足以使莫來(lái)石骨料和堇青石基質(zhì)分離而產(chǎn)生微裂紋，因此形成的微裂紋數(shù)量少，抗熱震性能也稍差。所以，采用電熔莫來(lái)石代替燒結(jié)莫來(lái)石做骨料可以提高堇青石—莫來(lái)石棚板的抗熱震性能。

2.3燒成溫度對(duì)抗熱震性的影響。

按堇青石、莫來(lái)石質(zhì)量比4：1配制原料，在相同的條件下制成坯體，在不同的溫度下燒制成樣品，測(cè)試其強(qiáng)度及抗熱震性能（見表3）。

從表3中可以看出，隨著燒成溫度的提高，樣品的抗折強(qiáng)度提高，抗熱震次數(shù)降低。分析其原因：高溫下燒成的樣品燒結(jié)程度好，試樣燒成后冷卻的應(yīng)力不足以使莫來(lái)石骨料和堇青石基質(zhì)分離而產(chǎn)生微裂紋。因此，在高溫?zé)傻臉悠樊a(chǎn)生的微裂紋數(shù)量少，因此其抗熱震性能要大大低于燒成溫度低的樣品，使得試樣的抗熱震性能不如低溫下燒成的試樣。從表3中也可以看出在1 270℃～1 330℃之間抗熱震次數(shù)降低不是特別明顯，因此我們認(rèn)為在1 270℃～1 330℃之間燒制樣品較為合適。

3 結(jié) 論

（1）在堇青石—莫來(lái)石棚板中，堇青石、莫來(lái)石的質(zhì)量比在4：1較為合適，此時(shí)材料的抗熱震性能較好。

（2）采用電熔莫來(lái)石代替燒結(jié)莫來(lái)石做骨料，可以提高堇青石—莫來(lái)石棚板的抗熱震性能。

（3）在堇青石—莫來(lái)石棚板的制備過(guò)程中，提高燒成溫度，可以提高制品強(qiáng)度，但不利于抗熱震性能的提高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王杰曾，金宗哲，包亦望，等.堇青石—莫來(lái)石材料高溫彎曲蠕變行為的研究[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2000（1）：84-86

[2]金放鳴，景鎮(zhèn)子.莫來(lái)石—堇青石質(zhì)耐火窯具的研制[J].河北陶瓷，1993（5）：23-26

[3]張效峰，司全京.堇青石—莫來(lái)石窯具材料的研制[J].耐火材料，1998（4）：204-206

[4]劉景林（譯）.耐火材料的高溫蠕變性[J].國(guó)外耐火材料，1995（8）：34-41

[5]楊平編，譯自《British Ceramic Transactions》莫來(lái)石—堇青石質(zhì)耐火材料的抗抗熱震性[J].國(guó)外耐火材料，2004（1）：46-48

[6]賀海洋，曾令可，胡曉力.莫來(lái)石—堇青石質(zhì)耐火材料工藝特性及應(yīng)用前景[J].中國(guó)陶瓷工業(yè)，1999（1）：12-14