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(yōu)良的力學(xué)性能、耐高溫性能、化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在建筑、電子、航空航天等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)陶瓷材料的生產(chǎn)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(lái)源。將硅砂尾礦作為基礎(chǔ)原料來(lái)制備陶瓷材料，一方面可以有效地實(shí)現(xiàn)硅砂尾礦的資源化利用，減少對(duì)天然礦產(chǎn)資源的過(guò)度開(kāi)采，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求；另一方面，通過(guò)合理的配方設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化，有望開(kāi)發(fā)出具有獨(dú)特性能和應(yīng)用價(jià)值的新型陶瓷材料，拓展陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域并降低生產(chǎn)成本。

然而，硅砂尾礦的成分復(fù)雜且不穩(wěn)定，其中含有的雜質(zhì)成分可能會(huì)對(duì)陶瓷材料的性能產(chǎn)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(yù)處理、添加劑的選擇與配比、成型方法以及燒結(jié)工藝等，對(duì)于獲得性能優(yōu)良且穩(wěn)定的陶瓷材料至關(guān)重要?；诖耍狙芯可钊胩骄坎煌瑩搅康墓枭拔驳V對(duì)陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強(qiáng)度的影響。

2實(shí)驗(yàn)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(guó)河北灤平建龍礦業(yè)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(jié)助劑選用鉀長(zhǎng)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(xué)成分如表1所示。

首先采用顎式破碎機(jī)將硅砂尾礦破碎至粒徑小于5mm ，然后用圓錐破碎機(jī)進(jìn)一步破碎至粒徑小于 1mm ，然后再使用球磨機(jī)研磨，球料比為5：1（質(zhì)量比），研磨時(shí)間為5小時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)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(yù)處理后的硅砂尾礦與燒結(jié)助劑、增塑劑按一定比例準(zhǔn)確稱量后放入行星式攪拌機(jī)中混合，配合比如表2所示?；旌限D(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘，混合時(shí)間為3.5小時(shí)，確保原料和添加劑充分混合均勻。同時(shí)采用TYE-300B壓力試驗(yàn)機(jī)，壓力設(shè)定為 150MPa ，保壓時(shí)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?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)溫度設(shè)定為 1100^°C ，升溫速率為 6^°C/min ，保溫時(shí)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(jié)過(guò)程中，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，以防正試樣氧化或其他不良反應(yīng)。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1陶瓷材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

硅砂尾礦基陶瓷材料導(dǎo)熱系數(shù)采用激光導(dǎo)熱儀，型號(hào)為NETZSCHLFA467HyperFlash，其溫度測(cè)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(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量。根據(jù)試樣的特性和厚度，激光能量設(shè)置為 30mJ ，脈沖寬度為 0.5ms ，在每個(gè)溫度點(diǎn)平衡狀態(tài)下，記錄激光導(dǎo)熱儀測(cè)量得到的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)，每個(gè)試樣在每個(gè)溫度點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次，數(shù)據(jù)取其平均值。

2.2.2陶瓷材料抗壓強(qiáng)度測(cè)試

陶瓷材料抗壓強(qiáng)度選擇電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力為 100kN ，精度為 ±1% 。試驗(yàn)機(jī)配備鋼結(jié)構(gòu)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(shè)定為 1.0MPa/s 。

3結(jié)果與討論

3.1硅砂尾礦基陶瓷材料導(dǎo)熱系數(shù)

在工業(yè)生產(chǎn)中，陶瓷材料常用于高溫設(shè)備的內(nèi)襯、隔熱層、熱交換器等部件。對(duì)于這些應(yīng)用場(chǎng)景，準(zhǔn)確掌握陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度和硅砂尾礦摻量的變化規(guī)律，有助于合理選擇材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[4，實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能和熱管理。因此本節(jié)探究不同溫度下的硅砂尾礦基陶瓷材料導(dǎo)熱系數(shù)變化，實(shí)驗(yàn)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(dǎo)熱系數(shù)變化由圖可知，隨著溫度增加，導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢(shì)。溫度介于 0-50^°C 之間，硅砂尾礦基陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)下降趨勢(shì)較為緩慢，溫度變化范圍為 24.3-24.9W/m?k ，主要原因?yàn)樵谠摐囟葏^(qū)間內(nèi)，溫度升高幅度較小，對(duì)硅砂尾礦基陶瓷材料內(nèi)部聲子的激發(fā)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變相對(duì)較小。聲子是陶瓷材料中熱量傳遞的主要載體，溫度較低時(shí)聲子的能量和數(shù)量變化不劇烈，聲子間的相互作用以及與晶體缺陷、雜質(zhì)等的碰撞散射頻率增加不明顯，所以對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小，下降趨勢(shì)緩慢。當(dāng)溫度大于 50% 時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)下降幅度逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到一定值后，材料內(nèi)部的聲子散射作用會(huì)增強(qiáng)。此時(shí)，晶界、缺陷以及雜質(zhì)等對(duì)聲子的散射阻礙效應(yīng)加劇，導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)呈先增加后下降趨勢(shì)。溫度為 150^°C 時(shí)，H1-H4的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)最高，主要因?yàn)楣枭拔驳V中含有一定量的二氧化硅等成分，在適當(dāng)?shù)膿搅糠秶鷥?nèi)可以改善陶瓷材料的結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)。而當(dāng)摻量大于H3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢(shì)。溫度 200^°C 時(shí)，H4的導(dǎo)熱系數(shù)較H3下降 8.43% 。當(dāng)硅砂尾礦摻量超過(guò)一定比例后，陶瓷材料中的雜質(zhì)和缺陷會(huì)增多，上述雜質(zhì)和缺陷會(huì)成為聲子散射的中心，阻礙熱量的傳遞，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)下降。

3.2陶瓷材料抗壓強(qiáng)度變化

抗壓強(qiáng)度是陶瓷材料質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。研究陶瓷材料抗壓強(qiáng)度變化有助于建立更精確的質(zhì)量監(jiān)控體系，為陶瓷材料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定提供科學(xué)依據(jù)。不同摻量的硅砂尾礦陶瓷材料抗壓強(qiáng)度變化，如圖2所示。

溫度從 0^°C 升高到 50% 時(shí)，陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度變化幅度較小，最大下降幅度僅為 1.2% ，抗壓強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定在 77-83MPa 之間（H1-H4摻量），主要因?yàn)樵诘蜏叵?，材料的分子運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵相對(duì)穩(wěn)定，溫度的小幅上升尚未對(duì)材料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的破壞[9-10]

當(dāng)溫度大于 50% 時(shí)，溫度接近陶瓷材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料的結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生變化，分子運(yùn)動(dòng)加劇，晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷和孔隙等微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度會(huì)顯著下降。高溫會(huì)使材料的晶體結(jié)構(gòu)逐漸軟化、熔化，甚至發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，從而使抗壓強(qiáng)度大幅降低。溫度為 200^°C 時(shí)，最大抗壓強(qiáng)度僅為 61MPa ，較 0^°C 的最大抗壓強(qiáng)度下降 26.53% 。

而隨著硅砂尾礦摻量增加，陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度與溫度變化趨勢(shì)一致，均呈先增加后下降，硅砂尾礦摻量為H1-H3時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，主要因?yàn)楣枭拔驳V中的化學(xué)成分可以與陶瓷材料的基體相發(fā)生反應(yīng)，起到填充孔隙、增強(qiáng)界面結(jié)合等作用，從而提高材料的抗壓強(qiáng)度。例如，在硅砂尾礦摻量為 530g 時(shí)（H3），陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度在不同溫度下均達(dá)到最高，最大抗壓強(qiáng)度高達(dá) 83MPa 。此時(shí)，硅砂尾礦與陶瓷基體的相互作用達(dá)到最佳狀態(tài)，材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能得到了優(yōu)化，抗壓強(qiáng)度也處于最高水平。但硅砂尾礦的摻量繼續(xù)增加，超過(guò)了適宜的范圍，陶瓷材料的抗壓強(qiáng)度會(huì)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?yàn)檫^(guò)多的硅砂尾礦會(huì)導(dǎo)致材料的孔隙率增加、晶體結(jié)構(gòu)不均勻等問(wèn)題，從而降低材料的抗壓強(qiáng)度。

4結(jié)語(yǔ)

（1）相同溫度下，隨著硅砂尾礦摻量的增加，陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈先增加后下降趨勢(shì)。而當(dāng)摻量大于H3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)呈下降趨勢(shì)。溫度 200^°C 時(shí)，H4的導(dǎo)熱系數(shù)較H3下降 8.43% 。當(dāng)硅砂尾礦摻量超過(guò)一定比例后，陶瓷材料中的雜質(zhì)和缺陷會(huì)增多，上述雜質(zhì)和缺陷會(huì)成為聲子散射的中心，阻礙熱量的傳遞，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)下降。

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

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