高強陶瓷薄板的研究.pdf

1、中國是世界建筑陶瓷的生產(chǎn)、消費以及出口大國。建筑陶瓷行業(yè)一直被認為是高污染、高能耗的行業(yè)，近幾十年來的快速發(fā)展導致許多陶瓷原料如高嶺土等都面臨開采過度、資源枯竭的問題，環(huán)境問題也越來越受到大家的關注，發(fā)展綠色環(huán)保的建筑陶瓷成為整個行業(yè)的目標。陶瓷薄板是一種規(guī)格大、厚度小的新型建筑陶瓷，它可減少高嶺土等原料用量、快速燒成節(jié)約能源，是建筑陶瓷未來發(fā)展的方向。
　　本文采用鄂爾多斯高嶺土、鄂爾多斯石英、鄂爾多斯鉀長石、廣東英德鈉長石、鄂

2、爾多斯滑石為原料制備了建筑陶瓷薄板。通過分別添加鄂爾多斯紫木節(jié)和新疆紅柱石來增強建筑陶瓷薄板。紫木節(jié)可改善坯體的可塑性，使材料具有較高的生坯強度，高溫下會轉化成莫來石，莫來石呈網(wǎng)狀交織在一起，使材料的強度增加。紅柱石在高溫下能轉化成莫來石，同時會發(fā)生體積微膨脹，可以抵消陶瓷材料在燒成過程中的體積收縮，保證樣品尺寸的穩(wěn)定性。選擇綜合性能最佳的配方，外加顆粒尺寸較小的碳化硅來減重陶瓷薄板，試圖在樣品中生成均勻分布且尺寸小的閉氣孔，在減小樣品

3、體積密度的同時也保證樣品的機械強度等性能達國標GB/T23266-2009。采用XRF、TG-DSC、XRD、SEM等現(xiàn)代測試手段研究了材料的制備工藝、晶相組成、顯微結構與性能的關系，探討了材料增強與減重機理，并選擇最佳配方進行中試，取得的研究成果如下：
　?。?）對鄂爾多斯原料進行了化學成分分析、相組成分析以及顯微結構分析，結果表明，紫木節(jié)和高嶺土燒失量大，高嶺土Fe2O3、TiO2、CaO、MgO等含量少，是一種優(yōu)質的粘土。紫

4、木節(jié)中Al2O3含量高達42.33％，F(xiàn)e2O3、TiO2含量較高，外觀呈紅褐色。石英較純，SiO2含量達98.32%。鉀長石中K2O、Na2O含量高達14.46%，是良好的熔劑原料?；蠱gO含量為31.27%，CaO含量為1.85%。紫木節(jié)中除了高嶺石晶相，還有少量的石英和勃姆石。高嶺土和紫木節(jié)的 SEM形貌圖基本相似，顆粒尺寸較小，1μm左右。
　?。?）為了增強陶瓷薄板，向基礎配方中引入不同含量的紫木節(jié)，紫木節(jié)引入量增加

5、，樣品生坯強度提高，樣品的燒結溫度也上升。對樣品進行理化性能的測試，結果表明，紫木節(jié)引入量為5%的A2配方經(jīng)1140℃燒成后，樣品總收縮率為10.46%，吸水率為0.03%，氣孔率0.07%，體積密度2.43 g/cm3，抗折強度高達74.95MPa，相比基礎配方A1樣品增強23.4%。燒結后樣品的XRD顯示，主晶相為莫來石和石英。SEM顯示，A系列樣品致密度大，氣孔少且尺寸小，5μm左右，有大量的短柱狀和針棒狀莫來石生成，長度1μm左

6、右，殘余石英顆粒均勻分布于基質之中。增強機理表明，勃姆石500℃左右分解成氧化鋁，氧化鋁與游離態(tài)的石英反應生成莫來石，莫來石可增強增韌陶瓷薄板，紫木節(jié)引入量增加的同時，石英的含量也增加，高溫液相熔解石英的能力有限，石英顆粒均勻分布于液相中也可增強樣品。
　?。?）為了繼續(xù)增強陶瓷薄板，在基礎配方中引入新疆紅柱石。對樣品進行理化性能測試，結果發(fā)現(xiàn)，紅柱石引入量為5%的B2配方經(jīng)1120℃燒成后，樣品總收縮率為10.33%，吸水率為0

7、.34%，氣孔率0.81%，體積密度2.43 g/cm3，抗折強度高達90.23MPa，比基礎配方B1增強54.1%，增強效果明顯。紅柱石添加量較大時，樣品雖然強度有所降低，但體積密度也降低。XRD顯示，樣品的主晶相為石英、紅柱石和莫來石。SEM表明，紅柱石引入量增加，樣品中針棒狀莫來石的含量明顯減少，紅柱石添加量較少的B2和B3樣品氣孔較少，樣品較為致密。紅柱石添加量較多的B4和B5樣品氣孔較多，尺寸較大，10~20μm左右，大量的板

8、條狀紅柱石分布于樣品中。增強機理表明，紅柱石1200℃左右開始分解，1100℃~1200℃是惰性的，紅柱石均勻分布于液相中可提高樣品的強度。紅柱石引入量的增加，石英的含量增加，在不影響樣品致密度的前提下可增強樣品。
　?。?）為了減重陶瓷薄板，同時保證強度和吸水率等性能達標，在最佳增強配方A2和B2的基礎上添加少量顆粒尺寸較小的碳化硅，探討碳化硅的添加量、燒成溫度和保溫時間對樣品性能的影響。碳化硅的引入可顯著降低樣品的體積密度，經(jīng)

9、1200℃燒成60min的C8樣品體積密度低至1 g/cm3。碳化硅添加量為0.5%的C4樣品和C8樣品經(jīng)1140℃燒成30min后，吸水率分別為0.11%和0.33%，抗折強度分別為65.51MPa和68.72MPa，體積密度分別為2.25 g/cm3和2.17 g/cm3，分別比致密化的A2和B2配方樣品降低了7.4%和10.7%。XRD表明，外加碳化硅之后主晶相無明顯變化，為莫來石、石英和紅柱石。SEM顯示，碳化硅含量的增加、燒成

10、溫度的增加以及保溫時間的增加都會使樣品的氣孔尺寸變大。經(jīng)1140℃燒成30min以及1180℃燒成15min的C8配方樣品孔徑較小且分布均勻，5μm左右，尺寸較小且分布均勻的氣孔不僅能降低樣品的體積密度，而且對樣品的強度影響較小。減重機理表明，1000~1100℃之后，長石形成的高溫堿性液相破壞了碳化硅氧化形成的二氧化硅保護膜，促進了碳化硅的大量反應，碳化硅反應的氣體被液相包裹，冷卻固化后形成大量相互獨立的閉氣孔，樣品的體積密度下降。碳

11、化硅添加量的增加、燒成溫度的升高、保溫時間的增加一方面促進了碳化硅的反應，氣孔數(shù)量增加，另一方面促使高溫液相的粘度減小，促進了氣泡之間的相互合并即大氣泡吞并小氣泡，導致氣孔尺寸增大。
　?。?）綜合考慮樣品的吸水率、抗折強度和體積密度等因素，在保證吸水率和抗折強度達到《陶瓷板》國標GB/T23266-2009中瓷質陶瓷薄板要求的前提下，體積密度盡量小，選擇最佳的幾組配方進行挺坯性能的試驗。經(jīng)1140℃燒成30min的C4和C8配方