鎂橄欖石質隔熱材料的制備及其性能研究

鄧承繼，周 亮，祝洪喜，丁 軍

（武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地，湖北武漢，430081）

鎂橄欖石（Mg2SiO4）是島狀結構的硅酸鹽礦物，具有強度高、熔點高（1 890℃）、化學和礦物穩定性好、熱導率低（為純氧化鎂的1／3～1／4）等特點，且材料呈弱堿性，與大多數堿性耐火材料具有良好的相容性[1－4]。因此，利用鎂橄欖石制備高溫隔熱材料是比較理想的。目前鎂橄欖石質材料主要是由鎂質原料在高溫下合成[5－7]，或者通過溶膠－凝膠法合成[8－10]。隨著菱鎂礦等鎂質耐火材料原料的日益緊張，存儲量豐富的天然鎂橄欖石逐漸成為人們關注的熱點[11]。

目前在工業熱工設備高溫部位使用的保溫隔熱材料主要是通過發泡法或吹真空法制得的輕質、多孔、熱導率低的材料[12]。這些方法需要較高的反應溫度，成本較高。熔鹽法是近代發展起來的一種無機材料合成方法，該方法采用一種或數種低熔點的鹽類作為反應介質，試樣在高溫熔融鹽中完成合成反應，反應結束后，將熔融鹽冷卻，采用合適的溶劑將鹽類溶解，過濾、洗滌后即可得到合成產物。熔鹽法利用熔鹽介質提供的液態環境，使得由擴散控制的固相反應之均勻性和反應速率都得到明顯提高[13]。本研究采用熔鹽法，以存儲量豐富的天然鎂橄欖石為原料，制備了鎂橄欖石質隔熱材料，并研究燒結溫度和熔鹽含量對材料性能的影響。

1 實驗

以湖北宜昌鎂橄欖石細粉（320目，化學成分見表1）為原料，分別添加33.3%、40%、50%、60%和66.6%的NaCl（分析純），外加3%熱固性酚醛樹脂為結合劑進行配料。將配制好的混合料置于行星式球磨機內混料3 h，在80 MPa壓力下壓制成φ36 mm×36 mm的圓柱試樣，按NaCl配比從低到高依次編號為1＃～5＃，于110℃下干燥24 h后，分別在1 000、1 100、1 150℃下燒成，保溫10 h。將燒成后的試樣置于100℃的水中進行處理，使試樣中的鹽溶于水中，并收集水溶液中的鹽。用排水法測定試樣的顯氣孔率和體積密度，在萬能材料試驗機上測定其常溫耐壓強度，用X射線衍射儀（Philips X’Pert Pro）分析其物相組成，用掃描電鏡（Philips XL30 TMP）觀察試樣的顯微結構。

表1 鎂橄欖石的化學組成（wB／%）Table 1 Chemical compositions of forsterite

2 實驗結果與分析

2.1 力學性能

圖1顯示了不同燒結溫度和熔鹽含量對試樣顯氣孔率、體積密度和耐壓強度的影響。由圖1中可見，隨著燒結溫度的升高，試樣的顯氣孔率逐漸降低，體積密度逐漸增大，耐壓強度逐漸升高；隨著熔鹽含量的增加，試樣的顯氣孔率逐漸增大，體積密度逐漸減小，耐壓強度逐漸降低。

圖1 不同熔鹽含量試樣燒結后的力學性能Fig.1 Effect of firing temperature and mass ratio of molten salt on properties of samples

對隔熱材料而言，在保證一定耐壓強度的情況下，增大材料的顯氣孔率、降低其體積密度有利于提高材料的隔熱性能，材料內微孔數量越多、氣孔分布越均勻，其隔熱性能越好[13]。NaCl的熔點為801℃，本實驗選用的燒結溫度為1 000、1 100、1 150℃，鎂橄欖石在NaCl形成的液相環境中進行燒結，通過燒結一方面促進鎂橄欖石晶體的形成長大，另一方面也使燒結體內氣體逐漸排出，使試樣致密化；試樣中NaCl基本不參與反應，熔融后一部分由于重力作用流出，另一部分通過水處理后溶于水中，其占據的空間就形成氣孔。從圖1中可以看出，燒結溫度為1 000℃和1 100℃時，試樣的性能變化不明顯；當燒結溫度升至1 150℃時，由于燒結作用明顯，試樣的顯氣孔率明顯降低、體積密度明顯增大，可以推測當燒結溫度高于1 150℃時，制得的試樣更加致密，會使試樣的隔熱性能明顯降低。因此，較佳的燒結溫度為1 100℃。由圖1中還可看出，熔鹽含量增加，試樣的顯氣孔率增大；但若熔鹽含量過高，鎂橄欖石骨架不易形成，會降低試樣的耐壓強度。因此，較佳的熔鹽含量為50%。

2.2 顯微組織與物相分析

圖2所示為3＃試樣在不同溫度下燒結后的低倍顯微結構照片。從圖2中可見，1 000℃下燒結的試樣結構疏松，氣孔較大且分布不均勻；1 100℃下燒結的試樣氣孔較多且分布均勻，形成的鎂橄欖石骨架也較好，適合做隔熱材料；1 150℃下燒結的試樣比較致密，氣孔數量較少。

圖2 3＃試樣在不同溫度下燒結后的顯微結構照片Fig.2 SEM images of sample sintered at different temperatures

圖3 1 100℃下燒結后3＃試樣的高倍顯微結構照片Fig.3 High magnification SEM image of sample sintered at 1 100℃

圖3～圖5所示分別為1 100℃下燒結后3＃試樣的高倍顯微結構照片、XRD圖譜和能譜圖。由圖3中可以看出，試樣中主要的晶體形態是規則的八面體。從圖5中可以看出，較小晶體（圖3中目標Ⅰ點）的元素成分為Mg、Si和O，其原子比為25.89%、14.03%和60.08%，與Mg2SiO4接近；較大晶體（圖3中目標Ⅱ點）的元素成分為Mg、Si、Fe和O，其原子比為31.55%、18.71%、1.43%和48.32%。由于Mg2＋和Fe2＋的半徑和結構因素相近，因此Mg2＋和Fe2＋可以互相取代形成（Mg·Fe）2[SiO4]，結合圖4可以看出，在1 100℃下燒結后3＃試樣中的主要物相為Mg2SiO4，表明制備的隔熱材料中起支撐作用的是Mg2SiO4基體。

圖4 1 100℃燒結后3＃試樣的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of sample sintered at 1 100℃

圖5 1 100℃燒結后3＃試樣的能譜圖Fig.5 EDS analysis of sample sintered at 1 100℃

3 結論

（1）以天然鎂橄欖石為原料，NaCl為介質，采用熔鹽法制備鎂橄欖石質隔熱材料時，NaCl熔融后提供液相燒結環境促進了鎂橄欖石的燒結，同時通過水溶液處理后NaCl溶于水中，其占據的空間形成了氣孔。熔鹽含量為50%時制得的鎂橄欖石質材料性能較好。

（2）適當提高燒結溫度有利于提高材料性能，但燒結溫度過高會使材料過于致密，不利于提升其隔熱性能；1 100℃下燒結制得的試樣性能較好，鎂橄欖石骨架結合更好、氣孔小、氣孔分布更均勻，適合做鎂橄欖石質隔熱材料。

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