ZrO2對鋁型材廠污泥制備剛玉-堇青石-莫來石復相材料性能的影響

羅金榮

長興天達環保建材有限公司 浙江湖州 313100

陶瓷材料燒結過程中加入少量礦化劑可發生晶格活化，加快反應速率，從而促進物相反應，改善材料的性能［1］。ZrO2是一種很好的耐火材料礦化劑，其熔融溫度約為2 700℃，它可以提高釉的高溫黏度和黏度變化的溫度范圍［2-5］。ZrO2具有較好的熱穩定性，摻入少量ZrO2能明顯提高釉的抗龜裂性能［6-10］。鋁型材廠污泥為固體廢棄物，通過1 300℃保溫3 h煅燒處理后，煅燒污泥中Al2O3含量高達90%（w）［11］。本課題組結合前期的研究成果，以煅燒鋁廠污泥、高嶺土和滑石粉為主要原料，在已確定的相對最佳配比的基礎上［11］，通過加入不同質量分數（1.0%～3.0%）的ZrO2礦化劑，探索其對剛玉-堇青石-莫來石復相材料的性能、物相組成和顯微結構的影響，以期進一步提高剛玉-堇青石-莫來石復合陶瓷材料的常溫抗折強度和熱震后強度等性能，擴展材料的使用范圍。

1 試驗

1.1 原料

試驗原料包括經過煅燒、磨細的鋁型材廠污泥，龍巖高嶺土和磨成粉狀的滑石，均經過≤0.425 mm（40目）篩網過篩，制備成煅燒污泥粉、龍巖高嶺土粉和滑石粉，其化學組成見表1。

表1 原料的化學組成

1.2 試樣制備

在前期的研究中，確定最佳配比（w）為：龍巖高嶺土52%，煅燒污泥34%，滑石粉14%；在此配方的基礎上，分別再加入1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%（w）的ZrO2礦化劑（分別用編號Z1、Z2、Z3、Z4和Z5表示），球磨混料2 h，轉速為200 r·min-1。將混合料倒出，過≤0.425 mm篩（40目）5～6次，以5%（w）的聚乙烯醇水溶液為結合劑進行造粒，陳腐24 h。稱取5 g陳腐料，填入模具內，在4 MPa壓力下壓制成7 mm×7 mm×50 mm的樣坯。在110℃電熱鼓風干燥箱內干燥24 h后，于1 380℃保溫3 h煅燒。

1.3 性能測試

按GB/T 2999—2016檢測試樣的顯氣孔率和體積密度，按GB/T 3001—2017檢測試樣的常溫抗折強度。抗熱震試驗：將試樣放入箱式高溫爐中，于850℃恒溫煅燒30 min后取出，立即放入20℃水中冷卻，在110℃電熱鼓風干燥箱內干燥24 h，檢測其熱震后的常溫抗折強度以及抗折強度保持率。

采用X’Pert Pro MPD型X射線粉末衍射儀對各試樣的物相組成進行分析，并利用Rietveld Quantification軟件計算各物相的含量。采用Philips XL 30ESEM型掃描電鏡觀察試樣斷口的顯微結構。

2 結果與討論

不同ZrO2添加量試樣的XRD圖譜見圖1，各物相的含量見表2。各試樣均含有3種主晶相，分別是剛玉相、莫來石固溶體相和堇青石相，同時含有少量鎂橄欖石相（Mg2SiO4）和鋯英石（ZrSiO4）。從表2可以看出，各試樣中的剛玉相（α-Al2O3）、莫來石固溶體（Al4.59Si1.41O9.7）和堇青石相（Mg2Al4Si5O18）的含量基本都在30%（w）左右；隨著ZrO2加入量的增加，燒后試樣中堇青石相含量有逐漸下降的趨勢，莫來石固溶體含量相對比較穩定，Mg2SiO4和ZrSiO4含量呈逐漸增加的趨勢，Al4.59Si1.41O9.7的含量變化不大，Mg2SiO4的含量增加，可能為Mg2Al4Si5O18分解產生的。

圖1 不同ZrO2添加量試樣的XRD圖譜

選擇各試樣斷面平整的片狀樣品進行SEM 分析，見圖2。由圖2（a）試樣Z4中以堇青石相為主的局部形貌中，菱角粒狀堇青石晶體中夾雜著少量柱狀剛玉晶體，且不同ZrO2添加量的堇青石晶體和剛玉晶體的顯微形貌變化并不明顯，故主要對莫來石晶體的影響進行分析。由圖2（b）可見，試樣Z1中的莫來石固溶體晶體呈細長的針狀，構成不規則的網狀結構，結構比較致密，表面有一層玻璃體覆蓋，網絡結構中分散了少量晶粒較小的堇青石晶體；由圖2（c）可見，試樣Z2的莫來石固溶體晶體呈細長的針狀，能構成致密的網絡結構；由圖2（d）可見，試樣Z3的莫來石固溶體晶體進一步長大和長長，晶體呈細長的柱狀體，構成較為完整的網狀結構，燒結程度較高，有利于抗折強度的提高；由圖2（e）可見，試樣Z4的莫來石固溶體晶體繼續生長，晶體呈現較為粗大的柱狀體，玻璃相減少，結構比較致密和清晰，構成完整的網狀結構；由圖2（f）可見，試樣Z5的莫來石固溶體晶體表面有一層玻璃體覆蓋，構成較為完整的網狀結構，有液相溢出，不利于抗熱震性。綜合上述分析結果，試樣Z4的顯微形貌相對最佳。

不同ZrO2添加量試樣的強度、顯氣孔率、體積密度等檢測結果見表3。隨著ZrO2添加量的增加，試樣的常溫抗折強度和熱震后的常溫抗折強度呈現出先升高后降低的趨勢，體積密度呈現上升的趨勢，顯氣孔率和吸水率呈現波動性變化。當ZrO2添加量為2.5%（w）即試樣Z4，熱震后的常溫抗折強度和熱震后的常溫抗折強度保持率最高。綜合上述性能分析，為使材料具有較高的使用強度和較長的使用壽命，ZrO2的最佳添加量為2.5%（w）。

3 結論

（1）在不同ZrO2礦化劑添加量下燒結的試樣，其物相組成均含有剛玉、莫來石和堇青石三種主晶相，其含量相對穩定。

（2）隨著ZrO2礦化劑添加量的增加，試樣的常溫抗折強度和熱震后的常溫抗折強度呈現出先升高后降低的趨勢，體積密度呈增加趨勢，其他性能處于波動狀態。

（3）各試樣均含有六方片狀剛玉和粒狀堇青石以及細長柱狀莫來石固溶體晶體，ZrO2礦化劑添加量為2.5%（w）時，晶粒明顯長大，整體結構密實，玻璃相很少，能構成完整的網絡結構，為最佳添加量。