利用鋁灰制備Sialon材料的研究.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)鋁工業(yè)迅猛發(fā)展，產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，已成為世界主要的鋁生產(chǎn)國(guó)。原鋁冶煉及鋁合金的生產(chǎn)、回收過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的鋁灰。廢鋁灰的堆積或填埋，不僅污染環(huán)境，也是一種資源的浪費(fèi)。因此，加強(qiáng)對(duì)鋁灰的再利用已勢(shì)在必行。作為鋁工業(yè)生產(chǎn)鏈中的最后一環(huán)，鋁灰的處理和再利用是公認(rèn)的世界性難題。
　　 Sialon陶瓷是20世紀(jì)70年代后迅速發(fā)展起來(lái)的一類高溫結(jié)構(gòu)材料，以其優(yōu)越的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是最有希望的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷之一。目

2、前，合成Sialon多采用純度較高的原料，成本較高，不能作為普通耐火材料或結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。利用鋁灰制備Sialon材料，不僅可以充分利用鋁工業(yè)廢料，還可以較低成本獲得較高性能的Sialon材料，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。
　　 本文利用廢鋁灰制備Sialon材料，系統(tǒng)研究了原料組成、工藝參數(shù)和添加劑等對(duì)合成Sialon的物相組成和形貌控制的影響規(guī)律。在合成工藝研究的基礎(chǔ)上，研究了無(wú)壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)對(duì)Sialon材

3、料的結(jié)構(gòu)和性能的影響。針對(duì)Sialon材料中的玻璃相和雜質(zhì)，采用TEM、HREM和SEM面掃描與高溫實(shí)時(shí)觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入剖析，研究了玻璃相和雜質(zhì)的形成和分布特征，揭示了其對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的影響機(jī)制，為進(jìn)一步探索有關(guān)玻璃相和雜質(zhì)的控制技術(shù)提供了依據(jù)。
　　 根據(jù)不同廢棄物的成分特點(diǎn)，本文分別設(shè)計(jì)、合成了鋁灰+高爐渣+金屬硅、鋁灰+粉煤灰+炭黑和鋁灰+金屬硅三種體系。經(jīng)過(guò)對(duì)比研究，確定了以鋁灰+金屬硅體系為重點(diǎn)研究對(duì)象?？疾炝藦U鋁

4、再生過(guò)程的兩種廢棄物吸塵灰和底灰對(duì)合成Sialon材料的影響，發(fā)現(xiàn)與吸塵灰相比，底灰中金屬鋁含量較高，因此還原反應(yīng)更徹底，合成的Sialon物相較純，而且有利于通過(guò)調(diào)節(jié)硅鋁比和合成溫度控制物相組成。如采用吸塵灰為原料，可以獲得致密度更高的樣品，但會(huì)在最終樣品中殘留較多的玻璃相。
　　 為了控制合成產(chǎn)物中AlN多型體的形成和發(fā)育，在鋁灰+金屬硅體系中加入適量的Y2O3（不大于3％），可以促進(jìn)AlN多型體的優(yōu)先析出。但Y2O3加入量

5、超過(guò)3％時(shí)，會(huì)使原料中的氧化物含量過(guò)高，從而在合成樣品中殘留較多的玻璃相。在鋁灰+金屬硅體系加入17-26％的NH4Cl可在一定程度上促進(jìn)還原氮化反應(yīng)的進(jìn)行，但不利于AlN多型體的形成。添加NH4Cl對(duì)合成產(chǎn)物的形貌影響比較明顯，隨著NH4Cl添加量的增加，合成產(chǎn)物中的長(zhǎng)柱狀晶粒逐漸增多。采用DTA-TG和分段合成實(shí)驗(yàn)對(duì)鋁灰+金屬硅體系的合成過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明合成過(guò)程中主要有800℃時(shí)Al的氮化階段和1100℃時(shí)Si的氮化階段，合

6、成Sialon的反應(yīng)在1450℃完成。
　　 采用鋁灰+金屬硅體系成功制備了致密的β-Sialon-15R陶瓷，并初步確定了材料制備參數(shù)與顯微結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，和材料顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系。無(wú)壓燒結(jié)的研究表明，在液相燒結(jié)機(jī)制作用下，β-Sialon發(fā)育成等軸狀或短柱狀，AlN多型體發(fā)育成纖維狀或長(zhǎng)柱狀，兩者交織排列形成原位自補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)制備參數(shù)的調(diào)節(jié)可以控制Sialon陶瓷中原位自補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的形成和變化。當(dāng)原料的硅鋁比為1.5時(shí)

7、，在1650℃保溫6h，可以制備顯微結(jié)構(gòu)較好的β-Sialon-AlN多型體陶瓷。根據(jù)無(wú)壓燒結(jié)的研究結(jié)果，選擇了硅鋁比為1.5的最佳原料組成進(jìn)行熱壓實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，熱壓壓力對(duì)顆粒的重排極為有利，而且提高熱壓燒結(jié)溫度有助于過(guò)渡液相的生成，同時(shí)也促進(jìn)了晶粒生長(zhǎng)，從而有效地加速樣品的致密化進(jìn)程和原位自補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的形成。在熱壓燒結(jié)溫度高于1550℃時(shí)，可以形成一種原位自補(bǔ)強(qiáng)的顯微結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)柱狀A(yù)lN多型體的形成使材料的強(qiáng)度和韌性都有提高，并使材料在

8、裂紋擴(kuò)展中產(chǎn)生更多的偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)。在1750℃燒結(jié)時(shí)，β-Sialon-15R陶瓷可以獲得最高的密度3.2g/cm3，維氏硬度為12.3GPa，抗彎強(qiáng)度為432MPa，斷裂韌性為4.31MPa·m1/2。
　　 材料的玻璃相分析結(jié)果表明，在1750℃燒結(jié)的β-Sialon-15R復(fù)相陶瓷中玻璃相很少，少量玻璃相主要存在于多晶粒交界處。從β-Sialon和15R形成的鑲嵌結(jié)構(gòu)、15R固溶大量Mg以及β-Sialon-15R晶界形貌來(lái)

9、看，15R的形成可有效地減少材料中的玻璃相殘留。對(duì)不同溫度條件下熱壓燒結(jié)的樣品分析表明，在1450℃燒結(jié)時(shí)，材料中殘留較多的玻璃相。隨著燒結(jié)溫度提高，材料中的玻璃相逐漸減少。在1650℃燒結(jié)時(shí)，β-15R晶界比較干凈，但β-β晶界仍然殘留有玻璃相。而在1750℃燒結(jié)時(shí)，在β-β晶界處已觀察不到殘余玻璃相。材料中少量殘留的玻璃相主要集中在多晶粒交界處。因此，利用鋁灰合成Sialon材料，通過(guò)合理的復(fù)相陶瓷組份設(shè)計(jì)和合適的工藝參數(shù)控制，可有