硅砂尾礦基陶瓷材料的制備及性能研究

1前言

陶瓷材料由于其具有優良的力學性能、耐高溫性能、化學穩定性等特點，在建筑、電子、航空航天等眾多領域都有著廣泛的應用。傳統陶瓷材料的生產往往依賴于天然礦物資源，而硅砂尾礦中含有豐富的二氧化硅等成分，這些成分恰是陶瓷材料制備的重要原料來源。將硅砂尾礦作為基礎原料來制備陶瓷材料，一方面可以有效地實現硅砂尾礦的資源化利用，減少對天然礦產資源的過度開采，符合可持續發展的戰略要求；另一方面，通過合理的配方設計與工藝優化，有望開發出具有獨特性能和應用價值的新型陶瓷材料，拓展陶瓷材料的應用領域并降低生產成本。

然而，硅砂尾礦的成分復雜且不穩定，其中含有的雜質成分可能會對陶瓷材料的性能產生顯著影響。因此，深入研究硅砂尾礦基陶瓷材料的制備工藝，包括原料的預處理、添加劑的選擇與配比、成型方法以及燒結工藝等，對于獲得性能優良且穩定的陶瓷材料至關重要。基于此，本研究深入探究不同摻量的硅砂尾礦對陶瓷材料的導熱系數及抗壓強度的影響。

2實驗材料和方法

2.1陶瓷材料和制備方法

原料硅砂尾礦和鐵礦石由中國河北灤平建龍礦業有限公司提供，其中硅砂尾礦的平均粒徑約為 30μm- 80μm ，其中小于 10μm 的顆粒占比約 10%-20% ，10-50μm 的顆粒占比約 50%-70% ，大于 50μm 的顆粒占比約 10%-30% 。鐵礦石含水率為 4.2% ，密度為3.5 g/cm³ 。燒結助劑選用鉀長石，莫氏硬度為6.5，密度為 2.57g/cm³ ，解理夾角約為 90^° 。增塑劑采用聚乙烯醇，聚 合度為1700－2000，醇解度為 90% ，添加量為 200g_? 原 材料的化學成分如表1所示。

首先采用顎式破碎機將硅砂尾礦破碎至粒徑小于5mm ，然后用圓錐破碎機進一步破碎至粒徑小于 1mm ，然后再使用球磨機研磨，球料比為5：1（質量比），研磨時間為5小時，得到平均粒徑在 30-80μm 的硅砂尾礦粉末。并采用80目和200目標準篩進行篩分，取80目-200目之間的硅砂尾礦粉末作為制備陶瓷材料的原料。將預處理后的硅砂尾礦與燒結助劑、增塑劑按一定比例準確稱量后放入行星式攪拌機中混合，配合比如表2所示。混合轉速為150轉/分鐘，混合時間為3.5小時，確保原料和添加劑充分混合均勻。同時采用TYE-300B壓力試驗機，壓力設定為 150MPa ，保壓時間為 3min ，將試樣制備成直徑 50mm 、厚度為 20mm 的圓形陶瓷片。將成型后的圓形陶瓷片放入高溫燒結爐中進行燒結。燒結溫度設定為 1100^°C ，升溫速率為 6^°C/min ，保溫時間為 3h 然后隨爐冷卻至室溫，得到硅砂尾礦基陶瓷材料試樣。在燒結過程中，采用氮氣保護，以防正試樣氧化或其他不良反應。

2.2實驗方法

2.2.1陶瓷材料導熱系數測試

硅砂尾礦基陶瓷材料導熱系數采用激光導熱儀，型號為NETZSCHLFA467HyperFlash，其溫度測量范圍為-125^°C-2800^°C ，能夠滿足硅砂尾礦基陶瓷材料在不同溫度下導熱系數的測量。根據試樣的特性和厚度，激光能量設置為 30mJ ，脈沖寬度為 0.5ms ，在每個溫度點平衡狀態下，記錄激光導熱儀測量得到的導熱系數數據，每個試樣在每個溫度點重復測量3次，數據取其平均值。

2.2.2陶瓷材料抗壓強度測試

陶瓷材料抗壓強度選擇電子萬能試驗機，最大試驗力為 100kN ，精度為 ±1% 。試驗機配備鋼結構壓盤，壓盤的洛氏硬度為HRC58-62，表面粗糙度 R_a 不大于0.8μm ，以保證均勻施壓，加載速率設定為 1.0MPa/s 。

3結果與討論

3.1硅砂尾礦基陶瓷材料導熱系數

在工業生產中，陶瓷材料常用于高溫設備的內襯、隔熱層、熱交換器等部件。對于這些應用場景，準確掌握陶瓷材料的導熱系數隨溫度和硅砂尾礦摻量的變化規律，有助于合理選擇材料和設計結構[4，實現有效的節能和熱管理。因此本節探究不同溫度下的硅砂尾礦基陶瓷材料導熱系數變化，實驗如圖1所示。

圖1不同溫度及硅砂尾礦摻量下的陶瓷材料導熱系數變化由圖可知，隨著溫度增加，導熱系數呈下降趨勢。溫度介于 0-50^°C 之間，硅砂尾礦基陶瓷材料的導熱系數下降趨勢較為緩慢，溫度變化范圍為 24.3-24.9W/m?k ，主要原因為在該溫度區間內，溫度升高幅度較小，對硅砂尾礦基陶瓷材料內部聲子的激發和運動狀態的改變相對較小。聲子是陶瓷材料中熱量傳遞的主要載體，溫度較低時聲子的能量和數量變化不劇烈，聲子間的相互作用以及與晶體缺陷、雜質等的碰撞散射頻率增加不明顯，所以對導熱系數的影響較小，下降趨勢緩慢。當溫度大于 50% 時，導熱系數下降幅度逐漸增加，當溫度達到一定值后，材料內部的聲子散射作用會增強。此時，晶界、缺陷以及雜質等對聲子的散射阻礙效應加劇，導致熱量傳遞受到限制。

且可以觀察到，相同溫度下，隨著硅砂尾礦摻量的增加，陶瓷材料的導熱系數呈先增加后下降趨勢。溫度為 150^°C 時，H1-H4的導熱系數分別為 23.1W/m?k_?23.7 W/m?k.24.1W/m?k.23.3W/m?k ，其中H3試樣的導熱系數最高，主要因為硅砂尾礦中含有一定量的二氧化硅等成分，在適當的摻量范圍內可以改善陶瓷材料的結構和致密性，減少孔隙率，使得熱量能夠更有效地傳遞[8]，從而提高導熱系數。而當摻量大于H3時，導熱系數呈下降趨勢。溫度 200^°C 時，H4的導熱系數較H3下降 8.43% 。當硅砂尾礦摻量超過一定比例后，陶瓷材料中的雜質和缺陷會增多，上述雜質和缺陷會成為聲子散射的中心，阻礙熱量的傳遞，導致導熱系數下降。

3.2陶瓷材料抗壓強度變化

抗壓強度是陶瓷材料質量的重要指標之一。研究陶瓷材料抗壓強度變化有助于建立更精確的質量監控體系，為陶瓷材料的質量標準制定提供科學依據。不同摻量的硅砂尾礦陶瓷材料抗壓強度變化，如圖2所示。

溫度從 0^°C 升高到 50% 時，陶瓷材料的抗壓強度變化幅度較小，最大下降幅度僅為 1.2% ，抗壓強度基本保持穩定在 77-83MPa 之間（H1-H4摻量），主要因為在低溫下，材料的分子運動相對較弱，晶體結構和化學鍵相對穩定，溫度的小幅上升尚未對材料的結構產生明顯的破壞[9-10]

當溫度大于 50% 時，溫度接近陶瓷材料的玻璃化轉變溫度時，材料的結構開始發生變化，分子運動加劇，晶體結構中的缺陷和孔隙等微觀結構也會發生變化，導致抗壓強度開始下降。當溫度繼續升高，陶瓷材料的抗壓強度會顯著下降。高溫會使材料的晶體結構逐漸軟化、熔化，甚至發生化學反應，導致材料的內部結構遭到嚴重破壞，從而使抗壓強度大幅降低。溫度為 200^°C 時，最大抗壓強度僅為 61MPa ，較 0^°C 的最大抗壓強度下降 26.53% 。

而隨著硅砂尾礦摻量增加，陶瓷材料的抗壓強度與溫度變化趨勢一致，均呈先增加后下降，硅砂尾礦摻量為H1-H3時，抗壓強度呈增加趨勢，主要因為硅砂尾礦中的化學成分可以與陶瓷材料的基體相發生反應，起到填充孔隙、增強界面結合等作用，從而提高材料的抗壓強度。例如，在硅砂尾礦摻量為 530g 時（H3），陶瓷材料的抗壓強度在不同溫度下均達到最高，最大抗壓強度高達 83MPa 。此時，硅砂尾礦與陶瓷基體的相互作用達到最佳狀態，材料的微觀結構和性能得到了優化，抗壓強度也處于最高水平。但硅砂尾礦的摻量繼續增加，超過了適宜的范圍，陶瓷材料的抗壓強度會逐漸下降，不同溫度下的H4摻量較H3摻量分別下降 3.61%.3.65%.2 66%，5.97%，13.11% ，主要因為過多的硅砂尾礦會導致材料的孔隙率增加、晶體結構不均勻等問題，從而降低材料的抗壓強度。

4結語

（1）相同溫度下，隨著硅砂尾礦摻量的增加，陶瓷材料的導熱系數呈先增加后下降趨勢。而當摻量大于H3時，導熱系數呈下降趨勢。溫度 200^°C 時，H4的導熱系數較H3下降 8.43% 。當硅砂尾礦摻量超過一定比例后，陶瓷材料中的雜質和缺陷會增多，上述雜質和缺陷會成為聲子散射的中心，阻礙熱量的傳遞，導致導熱系數下降。

（2）溫度大于 50% 時，溫度接近陶瓷材料的玻璃化轉變溫度時，抗壓強度開始下降。溫度繼續升高，陶瓷材料的抗壓強度會顯著下降。而硅砂尾礦摻量為 530g 時（H3），陶瓷材料的抗壓強度在不同溫度下均達到最高，最大抗壓強度高達 83MPa ，因此硅砂尾礦最優摻量為530go

參考文獻

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