矿化剂对莫来石陶瓷影响的研究
作者：方仁德杨华亮廖有为林飞
来源：《佛山陶瓷》2016年第02期
摘要：本文以粘土、氧化铝粉及硅酸锆等原料为基础配方，外加一定量的矿化剂设计四组配方，并将其分别在1546 ℃、1558 ℃、1575 ℃、1597 ℃、1611 ℃、1633 ℃下烧制，检测其烧成情况。在1575 ℃下烧结，试样的吸水率及孔隙率较高，体积密度不低，因而选用1575 ℃为参考烧成温度。在该温度下，随着配方中的矿化剂含量的增大，试样中的第三相也逐渐升高，第三相的含量为矿化剂含量的两倍；试样的SEM照片显示，随着矿化剂含量的升高，莫来石及第三相晶体发育的愈大，试样的强度也逐步提高，3#配方的强度最高，而4#配方的强度保持率最高。
关键词：莫来石；第三相；合成温度；矿化剂
1 引言
莫来石-刚玉质复相陶瓷因同时具有莫来石相熔点高、热膨胀系数低、抗蠕变、抗热震和刚玉相弹性高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等特点，使得其性能优越于纯刚玉陶瓷和纯莫来石陶瓷，再者由于莫来石与刚玉相热膨胀系数不同，复相陶瓷内部存在热膨胀失配，可形成裂纹。在热应力的作用下，这些裂纹可吸收弹性应变能，使驱动主裂纹扩展的能量降低，提高复相陶瓷的断裂表面能，从而提高抗热震性。
为了拓宽刚玉莫来石陶瓷的应用范围，加入一定量的矿化剂以降低材料的膨胀系数是一种常用的方法。
本文旨在通过外加矿化剂调节复相陶瓷的合成温度和配方，制备出结构和性能均最佳的陶瓷。
2 试验内容
2.1 刚玉莫来石陶瓷的制备
根据原料及组成点的化学组成进行配方计算，按照下列工艺过程制备试样。
原料→配料→湿法球磨→干燥、造粒→成型→干燥→烧成
其中，细磨料全部过200目筛，加入一定量的PVA作粘结剂，采用半干压法压制成型，成型压力为30 MPa，试样尺寸为： 50 mm×10 mm。坯体干燥后，将各试样在硅钼棒炉中分别于1546 ℃、1558 ℃、1575 ℃、1597 ℃、1611 ℃、1633 ℃保温3 h 烧成，停止加热后随炉温自然冷却。
2.2 复相陶瓷的性能表征
采用阿基米德法测试烧结体的吸水率、孔隙率和体积密度，利用Y-4型的X射线衍射仪分析试样的晶相；采用JM-6460LV型扫描电子显微镜观察试样的断面微观形貌；利用三点弯曲法测量烧结体的抗折强度，并通过试样经过1150 ℃抗热震性后的抗折强度保持率表征其热稳定性。
3 结果与讨论
3.1 合成温度对陶瓷的影响
图1所示为不同配方在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃烧结体的烧成收缩图。
其中，加入1#、2#、3#、4#试样中的矿化剂量逐渐增多。从图1可知，所有试样随着烧成温度的升高，烧成收缩均呈先降低后升高的趋势，其中1#配方的试样在1597 ℃时的烧成收缩最低，其余三个配方的试样在1575 ℃时的烧成收缩最低，说明矿化剂的引入，活化了晶格，促进了陶瓷的烧结，因此2#、3#和4#试样在1575 ℃时收缩率达到最低。将2#、3#和4#试验结果对比可知，2#试样的收缩较大，3#和4#试样的收缩较小，这说明矿化剂含量较低时起促进烧结作用，随着矿化剂含量的增加，收缩较小，说明在配方中已形成第三相，而该相的热膨胀系数较低，故收缩较小。
图2所示为不同配方试样在1546℃、1558℃、1575℃、1597℃、1611℃、1633℃烧结体的吸水率曲线。
从图2可知，1#和2#样品的吸水率随着烧结温度的升高，呈现先增大后降低的趋势，而3#和4#样品的吸水率却是逐渐降低。一般而言，随着温度的升高，陶瓷的气相逐渐降低，吸水率会降低。在1558 ℃之前，1#和2#样品中的小气孔在温度的作用下，逐渐熔合成大气孔，而外表面的小气孔未达到闭合状态，因此吸水率有一个上升的阶段。吸水率的高低并不能完全看出陶瓷的烧结情况，因为结构陶瓷的吸水率除了与其内部的气孔量相关外，还与气孔大小的分布及均匀性相关，因此应该综合陶瓷的孔隙率和体积密度进行综合分析。
图3所示为不同配方试样在1546 ℃、1558 ℃、1575 ℃、1597 ℃、1611 ℃、1633 ℃的孔隙率、体积密度曲线。
从图3所示的孔隙率和体积密度情况可以看出，随着温度的升高，试样的孔隙率先增加后降低，这与试样的吸水率随温度变化的情况相当，在1558 ℃时吸水率最高，1#配方的体积密度最小，这是比重较小的莫来石以及非晶质相含量高所致；烧结温度为1575 ℃时的吸水率和显气孔率较高，但是试样的体积密度并非最低，说明此温度的烧结体较为致密，并且从节能的角度来说，选用1575 ℃为烧结温度，考察不同配方对陶瓷的结构和性能影响，较为适宜。
3.2 不同配方对烧结体结构的影响
表1所示为不同配方试样在1757 ℃烧成后的物相情况。
从表1可以看出，1#配方的非晶质相的含量较高，主要是由于在1575 ℃下，试样未完全烧结，而在1597 ℃时烧结最为致密，这可以通过烧成收缩以及吸水率和体积密度进行体现。低温时，粘土中的钾钠离子较易形成玻璃相，导致了强度偏低，随着矿化剂含量的增加，第三相的含量增加，与此同时，非晶质相含量大幅度降低，这是由于矿化剂争夺了体系中的
Al2O3，形成第三相，导致了形成二次莫来石的SiO2量较低，因而非晶质相的含量较低。其中，刚玉的热膨胀系数是8.2×10-6/℃，莫来石的热膨胀系数是5.3×10-6/℃，而第三相的热膨胀系数更低，从表1可以看出，4#样的热膨胀系数匹配程度较好，因此其热稳定性也最好。
如图4所示为不同配方试样在1575 ℃时烧结后的断面扫描照片。
从图4的断面扫描照片可以看出，1#、2#试样的空隙均较大较深，其中1#和2#试样的孔洞最大约10～15 μm，1#照片中的孔洞甚至有15～20 μm。1#试样中的大量晶粒被玻璃相所包裹，且部分晶粒被熔融；3#试样主要为柱状晶体，晶体最大，大小为10 μm左右，晶体大小均匀，并且整个区域内的晶体也分布非常均匀，玻璃相将晶体包裹，部分熔融，结构非常紧凑，几乎没有空隙，因而3#试样的强度最大；4#试样的晶体较大，未出现大的空隙，细小的空隙均匀分布在整个区域，结构相当紧凑，从照片可以看出，里层可以看到明显的柱状晶体，晶体互相交错着排列。
3.4 合成温度对陶瓷性能的影响
图5所示为不同配方在1575 ℃时烧结后的试样抗弯强度。表2为不同配方的抗热震性。
从图5可以看出，不同配方的试样抗弯强度呈现先增加后下降的趋势，其中3#试样的抗弯强度最高。
从表2可以看出，3#配方的常温强度最高，这是由于第三相互交错的分布在莫来石晶体中，起着“钉扎效应” [1]，支架结构加强了对外来应力的抵抗力，强度得到提高，3#配方中第三相含量最高，但是强度保持率不是最高，这有可能是第三相的热膨胀系数太低，含量过高，导致基质和骨料的热膨胀系数差较大，产生的裂纹较大，在热冲击作用下，裂纹发生了扩展，致使1150 ℃的热震后强度较低；从4#配方的断面扫描照片可以看出，条状莫来石晶体发育良好，并形成交错的网络结构，玻璃相和第三相填充在网络结构的间隙中，并且可以看到明显的相接触，适当的玻璃相将晶相隔开，形成细小的裂纹，在经过1150 ℃的热震后，这些微裂纹对热冲击起到缓冲作用，因而4#配方的强度保持率最高，为63.19%。
4 结论
