添加劑對合成堇青石的影響

摘 要 本文研究了鋯英砂#65380;碳酸鋇#65380;硅線石#65380;氟化鈣四種添加劑及其含量對合成堇青石晶相組成的影響#65377;結果表明:四種添加劑的加入均提高了堇青石的含量，且加入量都有一最佳值，分別為鋯英砂2wt%#65380;碳酸鋇3wt%#65380;硅線石2wt%#65380;氟化鈣2wt%#65377;

關鍵詞 堇青石，合成，添加劑

1前言

堇青石(2MgO#8226;2Al₂O₃#8226;5SiO₂)具有優良的熱學性能，是現代陶瓷工業#65380;冶金工業不可缺少的原材料#65377;堇青石的合成已經有近百年的歷史，但仍是一項很困難的工作，這主要是因為它的生成條件比較苛刻:其生成溫度與分解溫度接近，即燒成溫度范圍窄;在較低溫度下沒有明顯的堇青石生成，提高溫度又會導致大量的玻璃相生成，降低制品的熱穩定性#65377;作為耐火材料，要求其具有較高的堇青石含量#65380;高的致密性及盡可能少的雜質#65377;

2試驗

2.1原料及制備過程

2.1.1原 料

(1) 蘇州土:主要為合成提供氧化硅;

(2) 礬土:主要為合成提供氧化鋁;

(3) 滑石:主要為合成提供MgO#65380;SiO₂;

(4) 各種添加劑:A鋯英砂(ZrSiO₄);B碳酸鋇(BaCO₃);C硅線石(Al₂O₃#8226;SiO₂);D氟化鈣(螢石CaF₂)#65377;原料化學成分如表1所示，添加劑加入量如表2所示#65377;

2.1.2 坯料配方

基礎坯料按以下成分配制:蘇州土40wt%#65380;滑石38wt%#65380;礬土22wt%#65377;

2.1.3 工 藝

(1) 配料:按上述配方進行配料;

(2) 細磨(干磨):將混合料于行星球磨機中磨料，干磨時加1%～3%的油酸，以防粘結，干磨時間為24h，以保證小于1μm的顆粒占15%～30%，配料均勻混合;

(3) 陳腐:陳腐時間48 h以上;

(4) 采用模壓成形，混好的料加0.8%的糊精(另加水2.4%)作粘結劑，和成泥料，制成形狀規則的塊狀樣品，成形壓力58.8～98.0MPa;

(5) 干燥:采用烘箱烘干，以免燒成時干裂;

(6) 燒成:樣品放入硅鉬爐中進行燒成，在低溫階段(300℃)升溫速度不可太快，以免因水分排出太快而引起樣品開裂;中溫階段升溫速度可快些;高溫階段也不可過快，此段時間是堇青石的生成階段，升溫速度過快會影響堇青石的結晶#65377;燒成曲線見圖1#65377;

圖1 燒成曲線圖

2.2分析與討論

2.2.1 X-ray衍射分析

根據理論分析，燒成后試樣的主晶相是堇青石，并且占絕大部分;其次可能出現莫來石相#65380;剛玉相以及A﹑B﹑C﹑D等各添加劑形成的一系列次晶相;其余部分則是玻璃相等#65377;

(1) 圖2(a)為#0樣品的衍射分析圖#65377;#0樣品是由純的基礎料燒結而成的，整個圖譜背底較厚，主要由玻璃相組成，并且有許多小的雜峰#65377;由圖2可知:#0樣品的主晶相是堇青石，次晶相主要是剛玉#65380;莫來石#65377;

圖2 #0樣品（無添加劑）與#2樣品（2%A添加劑）的XRD圖

(2) 圖2(b)為#2樣品的XRD圖，與#0樣品相比，雜峰明顯減少，說明雜相明顯減少，堇青石含量顯著增大，可見添加劑A對提高基礎料中堇青石含量有明顯作用#65377;#1#65380;#2#65380;#3#65380;#4樣品之間橫向比較:#1樣品主晶相堇青石占絕大多數，次晶相為莫來石相，此外樣品內還有其它相;#2樣品主晶相仍是堇青石，次晶相為莫來石相，其主晶相強度比#1樣品高;#3樣品主晶相為堇青石相，次晶相為莫來石#65380;鋯英石;#4樣品主晶相是堇青石相，次晶相為莫來石#65380;鋯英石，幾乎無其它雜峰，且鋯英石含量顯著增高，堇青石相則相對減少#65377;由此可知:#2樣品最為理想，堇青石含量高，雜峰比較少#65377;

(3) #5#65380;#6樣品中堇青石含量明顯高于#0樣，可見B添加劑效果明顯#65377;但B添加劑加入量不同，產生的雜相也有所不同:#5樣品主晶相為堇青石，另外有α-Al₂O₃和莫來石等雜相產生，此外還有不確定的峰值出現;#6樣品雜峰明顯少于#5樣品，其衍射圖見圖3#65377;

圖3 #6樣品（3%B添加劑）的XRD圖

(4) 加入C添加劑可能會引入雜質，但縱觀整體效果，仍是較大地提高了堇青石相的含量，減少了雜相#65377;綜合分析#7#65380;#8#65380;#9樣品的XRD圖譜，#8樣品合成的堇青石含量最高#65377;從圖4可以看出:#8樣品的主晶相為堇青石，次晶相α-Al₂O₃#65380;莫來石含量少，雜峰明顯少于#7和#9樣品#65377;

圖4 #8樣品（2%C添加劑）的XRD圖譜

圖5#10樣品（2%D添加劑）的XRD圖譜

(5) 與#0樣比，#10#65380;#11兩個樣品堇青石含量都有很大的提高#65377;與#11樣品相比，#10樣品堇青石衍射峰的相對強度更高，且雜峰較少，如圖5所示#65377;

2.2.2 物相與真密度

用比重瓶法測材料的真密度，真密度與制品中的物相有很大的關系，其中某種晶相含量越多，制品密度則越接近此種物相#65377;表3為四種晶相的理論密度#65377;

圖6為密度(d)-添加劑量(x)關系圖#65377;由圖6可知，對加入A添加劑的試樣，#4(4%A)樣品密度大，#2(2%A)密度最小，這是因為隨著添加劑量的增大，#4樣品中鋯英石相占的比例很大，而鋯英石密度又較大，所以制品密度最接近鋯英石的密度， 密度最大#65377;#0樣品中因各雜相(α-Al₂O₃#65380;莫來石等)多，雜相密度相對較大，所以密度較大，而#2樣品中堇青石相含量最高，雜相少，而堇青石相密度低，故#2樣品最靠近堇青石密度，密度最小#65377;其它#1#65380;#3樣品則處于這幾個密度之間，與以上規律相符#65377;

對含B#65380;C#65380;D添加劑的樣品，也可得出同樣的結論:添加B添加劑的#5樣品雜相多于#6樣品，故其密度比#6樣品高;#6樣品因堇青石相最多，故雜相最少，密度最低#65377;加入C添加劑的#9樣品含雜相最多，故其密度最大#65377;由于C添加劑密度較大，所以#7#65380;#8#65380;#9樣品密度都比#0樣品密度有所增加#65377;加入D添加劑的#10樣品雜相多，故密度大，而#11樣品雜相少，故密度小#65377;

由以上分析可以看出:物相與密度的關系是極其密切的，含某種物相多，樣品密度就越靠近該種物相的密度，這可以作為一種輔助的分析手段#65377;以上的結果與用XRD分析的結果是相符的#65377;

圖6 各添加劑量與樣品密度的關系

3 結論

(1) 加入實驗所用的四種添加劑，均能大大提高基料中堇青石的含量，并且減少了雜質;

(2) 每一種添加劑的加入量都有一個最合適的量，過多或過少效果都不好#65377;四種添加劑較合適的加入量分別為:鋯英砂2wt%，碳酸鋇3wt%，硅線石2wt%，氟化鈣2wt%;

(3) 通過對比各種添加劑所產生的作用可以看出，碳酸鋇添加劑效果最好，堇青石與標準JCPD卡能很好地吻合，并且雜相很少#65377;

參考文獻

1 陳玉清，吳 正，王連星.堇青石的合成及應用[J].中國陶瓷，1992，5

2 郭瑞本.堇青石莫來石質低膨脹窯具的研制及應用[J].中國陶瓷，1992，5

Effects of Additives on Synthesizing Cordierite

Zeng Guohui

(School of Materials Science and Engineering Wuhan University of TechnologyWuhan 430070)

Abstract:The effect of additives zirconium silicate， barium carbonate， sillimanite and fluorite and their adding quatities on crystal phase and mineral composition of synthesized cordierite were studied in this paper.The results showed that the four additives could greatly improve the content of cordierite，and the optimum adding quatities are as following:zirconium silicate 2wt%， barium carbonate 3wt%，sillimanite 2wt%，fluorite 2wt%.

Keywords: cordierite，synthesize，additive