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硅线石的粒度对刚玉——莫来石材料性能的影响

2017-09-26  来自: 南阳元昊矿产品公司 浏览次数:161

本文初步探讨了硅线石的粒度及煅烧温度对刚玉-莫来石材料的常温物理性能的影响,研究表明(1)硅线石的分解温度与其粒度有关,随着粒度的增大,分解温度升高。粒度小于0.088mm的硅线石在1400摄氏度就已经开始分解,而粒度为0.3-0.2mm的硅线石在1500摄氏度还没有分解。(2)将不同粒度的硅线石加入到刚玉-莫来石材料中时,当煅烧温度高于1500摄氏度时,试样的烧后线变化随着硅线石的粒度的增大而增大,试样的耐压强度则随着粒度的增大而减小。

关键词  硅线石 刚玉-莫来石 粒度 性能

红柱石、蓝晶石、硅线石同属硅酸盐系,化学组成为Al2O3?SiO2.是Al2O3-SiO2系中的重要的矿物。他们在加热过程中转变为莫来石,并产生一定的体积膨胀。粒度是影响其莫来石化的重要因素。本工作研究了硅线石的粒度对莫来石化以及对刚玉-莫来石材料性能的影响。

1         实验

本实验采用M60莫来石(2~1mm、1~0.5mm)为骨料,采用电熔白刚玉粉和不同粒度的硅线石为基质料。另外还有少量的结合剂氧化硅微粉和苏州土。将这些原料按照下表的比例进行配料,硅线石的粒度分别为0.3~0.2mm、0.2~0.1mm和《0.088mm,对应的试样编号依次为S1、S2、S3.每组配料加水搅拌5分钟后,压制为直径36mm×36mm的试样,然后将试样在110摄氏度下干燥24小时后,分别在1400℃、1500℃、1600℃保温3小时煅烧。用游标卡尺测量试样煅烧前和煅烧后的直径,计算出试样的烧后线变化率;根据国家标准测定烧后试样的显气孔率、体积密度和耐压强度;用XRD分析硅线石烧后的相组成。

2         结果与分析

2.1    硅线石的粒度对复合材料的常温物理性能的影响

图1至图3给出了试样的常温物理性能与煅烧温度及硅线石粒度的关系。从图1可以看出,随着煅烧温度的升高,试样的烧后线变化率也在增大。而且试样在1500-1600℃时的体积膨胀比1400-1500℃时要大。从图1还可以看出,当煅烧温度高于1500℃时,随着加入硅线石的粒度越大,试样的烧后线变化率也变大。图2给出了试样的先气孔率和体积密度随煅烧温度与硅线石粒度的关系,与图1相对应,试样的显气孔率随着温度的升高而增大,体积密度则随着温度的升高而减小。随着硅线石粒度的增大,试样的显气孔率也在变大。图3是不同温度下硅线石的粒度对试样的常温耐压强度的影响。从图可知,随着加入硅线石粒度的增大,试样的的耐压强度在减小,随着温度的升高,试样的耐压强度在下降。随着温度的升高,试样内部开始进行莫来石化反应,由于相变占主导地位引起结构松弛,体积密度变小,耐压强度下降。

2.2 分析与讨论

在试样的煅烧过程中将发生如下反应:

3(Al2O3?SiO2)→3Al2O3?2SiO2+SiO2  (1)

3SiO2+2Al2O3→3Al2O3?2SiO2  (2)

(1)       式为硅线石的分解反应,即一次莫来石化,此反应伴随的体积膨胀为7~8%。(2)式反应生成的SiO2与试样中的Al2O3的反应,即二次莫来石化反应。二次莫来石反应会产生较大的体积膨胀,一般为10%左右。在试样的煅烧过程中,随着温度的升高,因烧结会导致体积收缩。所以试样烧成后是膨胀还是收缩,要综合考虑,以相变为主则表现为膨胀,以烧结为主则表现为收缩。

硅线石的分解程度与其粒度及煅烧温度有关。对实验所选用的硅线石分别在1500摄氏度、1600摄氏度保温3小时进行煅烧,然后对烧后以及未烧的硅线石原料进行XRD分析。由于硅线石与莫来石晶体结构的相似性,两种矿物X射线衍射图谱很相似,用X射线方法区分难度很大。林彬荫等经过对大量X射线衍射图的分析研究发现:用硅线石和莫来石(220)峰作为特征峰,可以识别二者的混合物。

硅线石和莫来石的(220)峰具有中等衍射强度,他们的面网间距d值具有相对较大的区别:莫来石d(220)=0.2694nm,硅线石d(220)=0.2675nm,在利用较长波长光源,适当放慢扫描速度(5°/min),放大图谱后,两者的(220)峰可以很好的分开,可以作为衡量两者的特征峰,如图4。

从图4可以看出,硅线石的粒度越大,开始分解温度和完全分解温度越高。由图4(a)可知,在1500摄氏度烧成后粒度小于0.2mm的硅线石已经开始分解,莫来石M(220)峰已经出现,硅线石S(220)峰随着粒度的减小而减小。粒度大于0.2mm的硅线石在1500摄氏度烧成后的XRD图上没有发现莫来石M(220)峰,说明还没有开始分解。图4(b)为各个粒度的硅线石在1600摄氏度烧后的XRD图,从图可知在1600摄氏度烧后,各个粒度的硅线石S(220)峰都迅速变弱,莫来石M(220)迅速增强,粒度小于0.088mm的硅线石的S(220)峰几乎消失。说明各粒度的硅线石在1500-1600摄氏度之间快速分解,所以在图1中试样在1500-1600摄氏度时的体积膨胀比1400-1500摄氏度要快。石干等人曾对在材料中莫来石化行为做过研究,认为硅线石的一次莫来石化与二次莫来石几乎同步完成,而且硅线石的一次莫来石化速度小于或接近其二次莫来石化速度。所以试样在1500-1600摄氏度煅烧时,二次莫来石也在迅速生成,这是使试样的体积膨胀的另外一个因素。从图1可知,加入硅线石的粒度越小,试样的体积膨胀越小。这是因为细颗粒会增加烧结的推动力,增加颗粒在液相中的溶解度,会加速烧结过程,使试样的致密化速率提高。所以加入硅线石粒度小于0.088mm的试样S3的体积膨胀相对小一些。

3         结论

(1)       硅线石的分解温度与其粒度有关,随着粒度的增大,分解温度升高。粒度

于0.088mm的硅线石在1400摄氏度就已经开始分解,而粒度为0.3-0.2mm的硅线石在1500摄氏度还没有分解。

(2)  将不同粒度的硅线石加入到刚玉-莫来石材料中时,当煅烧温度高于1500摄氏度时,试样的烧后线变化率随着硅线石的粒度的增大而增大,试样的耐压强度则随着粒度的增大而减小。

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