氯化鈧對(duì)鋁酸鎂尖晶石燒結(jié)致密化的影響研究

劉建華

(昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093)

0 引 言

鋁酸鎂尖晶石(MAS)具有高熔點(diǎn)(2 135 ℃)，低熱膨脹性，良好的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的耐化學(xué)性等。由于這些理想的特性，MAS已用于各種應(yīng)用，例如耐火材料，濕度傳感器和透明陶瓷材料，以及鋁電解池中的陽(yáng)極和側(cè)壁材料。然而，由于伴隨著尖晶石化反應(yīng)的體積膨脹(8 %)不利于致密化，因此很難通過(guò)固相法直接從單獨(dú)的Al2O3和MgO粉末的混合物中制備出致密材料。眾所周知，選擇適當(dāng)?shù)暮铣蓷l件，以及原料粉末的有利獲得致密的陶瓷。如先前的研究證明，通過(guò)共沉淀制備的MgAl2O4粉末具有良好的燒結(jié)性能。但是，幾乎沒(méi)有任何方法可以在沒(méi)有燒結(jié)助劑的情況下獲得完全致密化的MAS。

燒結(jié)助劑對(duì)MAS致密化的作用已有報(bào)道。例如，添加LiF可以通過(guò)液相燒結(jié)來(lái)增強(qiáng)尖晶石的致密化，而添加TiO2可以通過(guò)Al2O3的析出和TiO2的溶解來(lái)改善尖晶石的致密化。在ZnO中，陰離子空位的形成會(huì)引起尖晶石的致密化。加入稀土氧化物后，可獲得令人滿(mǎn)意的致密尖晶石。Dy2O3可防止晶粒過(guò)大生長(zhǎng)并有助于致密化。在有5 wt%的Y2O3的情況下，高質(zhì)量尖晶石的燒結(jié)性會(huì)提高。在我們先前的研究中，使用4 wt%的Sc2O3作為添加劑可在MAS中獲得96.17 %的致密化，這表明將Sc2O3摻入尖晶石結(jié)構(gòu)中可改善傳質(zhì)和致密化。但是，MgAl2O4粉末合成過(guò)程中添加燒結(jié)助劑的研究很少。

在該研究中，已嘗試研究共沉淀法制備MgAl2O4粉末的過(guò)程中添加ScCl3，以研究其對(duì)MAS的致密化和性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

材料制備時(shí)使用的主要原料有無(wú)水氯化鋁(A1Cl3)、氯化鎂(MgCl2·6H2O)、氨水(NH4OH)，氯化鈧(ScCl3)和去離子水(實(shí)驗(yàn)室自制)。通過(guò)氨水調(diào)節(jié)pH，將ScCl3、A1Cl3和MgCl2·6H2O共沉淀制備含鈧的鎂鋁水合物前驅(qū)體。ScCl3的添加量分別是0、1、2和4 wt%。在1 000 ℃煅燒得到MAS粉末。將MAS粉末壓制成生坯。在KSL-1750X-A2高溫箱式爐中1 700 ℃燒結(jié)2 h得到燒結(jié)體。

通常采用阿基米德排水法測(cè)定燒結(jié)試樣的體積密度和顯氣孔率。利用XRD分析材料的晶體缺陷、晶格參數(shù)、物相含量、晶體結(jié)構(gòu)及內(nèi)應(yīng)力。陶瓷試樣的導(dǎo)電性較差，在觀察其表面和橫斷面的微觀形貌之前，要對(duì)試樣進(jìn)行打磨拋光，并在一定溫度下熱腐蝕，再做噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料XRD

共沉淀制備含鈧的鎂鋁水合物前驅(qū)體在1 000 ℃煅燒得到的粉末物相分析見(jiàn)圖1。由圖1可知共沉淀得到的鎂鋁水合物在1 000 ℃煅燒所得粉末的物相組成為MgAl2O4和Sc2O3。無(wú)水氯化鋁和氯化鎂反應(yīng)煅燒后可得MgAl2O4粉末，ScCl3煅燒可得Sc2O3。

圖1 原料物相組成Fig.1 Phase composition of raw materials

2.2 生坯燒結(jié)的體密度和孔隙率

不同鈧鹽含量的鎂鋁尖晶石燒結(jié)試樣的致密度和孔隙率見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著鈧鹽含量的增大，燒結(jié)式試樣的致密度增減增大，孔隙率增減減小。當(dāng)鈧鹽含量>2 %時(shí)，燒結(jié)試樣的致密度增大不明顯，孔隙率減小的不明顯。在鈧鹽含量為2 %時(shí)，燒結(jié)試樣的致密度為98 %，孔隙率1 %。

圖2 燒結(jié)試樣的致密度和孔隙率Fig.2 Density and porosity of sintered sample

2.3 燒結(jié)試樣的微觀形貌

不同鈧鹽含量的MAS燒結(jié)試樣斷面形貌圖見(jiàn)圖3。由圖可知，添加鈧鹽可促進(jìn)試樣的燒結(jié)致密化，不含鈧鹽的試樣有較多的空洞，鈧鹽含量為2 %時(shí)，其燒結(jié)試樣的斷面形貌最致密。

圖3 燒結(jié)試樣的斷面形貌圖：(a)0 %；(b)1 %；(c)2 %；(d)4 %Fig.3 The cross-sectional topography of sintered sample：(a)0%；(b)1%；(c)2%；(d)4%

圖4 含2 %鈧鹽燒結(jié)試樣的能譜圖

由圖4可知鈧鹽促進(jìn)試樣燒結(jié)致密化的主要原因是鈧鹽在顆粒填充邊界處減少孔隙，增大燒結(jié)試樣的致密化程度。

3 結(jié) 語(yǔ)

以ScCl3的形式添加進(jìn)試樣可有效促進(jìn)MAS的燒結(jié)致密化，鈧鹽含量2 %時(shí)，MAS燒結(jié)試樣的致密化程度最大，致密度為98 %，孔隙率為1 %。其促進(jìn)MAS燒結(jié)致密化的主要機(jī)理是含鈧鹽的顆粒可填充MAS顆粒的邊界孔隙，從而促進(jìn)其燒結(jié)致密化。