摘 要:本文介紹了微晶玻璃陶瓷復(fù)合板的工藝特點(diǎn)，并利用鋁土礦選尾礦和粉煤灰制備微晶玻璃復(fù)合板，試驗(yàn)表明，利用廢渣生產(chǎn)的微晶玻璃復(fù)合板能夠充分保留微晶玻璃的優(yōu)良性能，同時(shí)能夠大量利用廢渣。

關(guān)鍵詞:微晶玻璃-陶瓷復(fù)合板;新工藝;廢渣

1 前言

微晶玻璃又稱玻璃陶瓷， 是綜合玻璃和陶瓷技術(shù)發(fā)展起來的一種新型材料， 其理化性能集中了玻璃和陶瓷的雙重優(yōu)點(diǎn)，具有高光澤度、優(yōu)異的物理機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，以及綠色環(huán)保等優(yōu)良性能，有著廣闊的市場需求[1]。然而，大多數(shù)微晶玻璃是采用化工原料及水淬燒結(jié)方法，這使得微晶玻璃板材的成本過高。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的工業(yè)固體廢渣對環(huán)境造成很大的壓力;粉煤灰是火力發(fā)電廠排放的固體工業(yè)廢渣，目前主要用作灌漿材料、建筑工程材料等，如何更有效地變廢為寶，開發(fā)出使用價(jià)值更高的材料是粉煤灰利用的一個(gè)重要課題[2]。而國內(nèi)一些礦山將尾礦作井下充填料、覆土造田， 這只是一種粗糙的處理方式， 尾礦沒有被充分利用，取得的經(jīng)濟(jì)效益不大。利用工業(yè)廢渣制作微晶玻璃，既可節(jié)約成本，又可達(dá)到綜合利用資源和保護(hù)環(huán)境目的。

通常，微晶玻璃陶瓷復(fù)合板采用兩次燒成工藝，即先燒結(jié)素坯，再布微晶玻璃粒料進(jìn)行二次燒結(jié)[3]。二次燒結(jié)過程中，由于使用微晶玻璃的大顆粒料，以及兩層材料的結(jié)合需要較高的燒結(jié)溫度，而這個(gè)溫度常常偏離微晶玻璃層的最優(yōu)燒結(jié)溫度，因此會造成微晶玻璃層氣孔較大、晶相含量降低，從而導(dǎo)致硬度的下降[4]。 本文提出利用鋁土礦選尾礦和粉煤灰生產(chǎn)微晶玻璃陶瓷復(fù)合板的新工藝[5]，這種新工藝的特點(diǎn)是，廢渣使用量高，一次燒成，同時(shí)保證微晶玻璃層充分燒結(jié)。

2 試驗(yàn)

2.1原料

實(shí)驗(yàn)所用鋁土礦選尾礦由中國鋁業(yè)公司鄭州研究院提供;粉煤灰來自鄭州熱電廠;玻璃料由佛山市歐神諾有限公司提供，其它輔助原料如石英砂在市場上購得。粉煤灰和鋁土礦選尾礦的化學(xué)組分如表1所示。

2.2樣品的制備

原料磨細(xì)過200目(75μm)篩，基板層用鋁土礦選尾礦、粉煤灰、石英砂與微晶玻璃板層用玻璃粉以質(zhì)量比40:30:17:13配比?；辶霞铀?wt%，混合造粒;玻璃料加8wt%PVA 溶液造粒。隨后分別倒入模具中，在40MPa的壓力下壓制成雙層坯體，坯體的基板層厚度約6.5mm， 微晶玻璃層厚度約1.5mm。樣品烘干后以一定的熱處理制度燒結(jié)，燒結(jié)溫度為980oC，燒成周期為90min。

2.3組成、結(jié)構(gòu)和性能測試

采用法國SETARAM公司的Labsys型差熱分析儀對玻璃料進(jìn)行DSC測試，升溫速度為20℃/min，空氣氣氛。利用Philips公司的PW 1700型X射線衍射儀測定樣品的相組成，Cu靶;將燒結(jié)晶化后的試樣切割成小塊表面磨平并拋光，采用JEOL JSM-6700F型掃描電鏡形貌觀察樣品的微觀形貌，并利用EDS分析其元素組成。利用顯微硬度記測量樣品的硬度，測量時(shí)載荷為300g，加載時(shí)間15s;復(fù)合板的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度利用德國Zwick/Roell Z030實(shí)驗(yàn)機(jī)完成，跨距30mm，加載速率0.5mm/min。

3 結(jié)果與討論

微晶玻璃復(fù)合板類似于瓷質(zhì)磚的生產(chǎn)工藝，但有一定的不同:

(1) 基板料主要由工業(yè)廢渣、玻璃化廢渣和石英砂組成，有時(shí)需要加入一定的玻璃料以提高強(qiáng)度。工業(yè)廢渣所起的作用與瓷質(zhì)磚中粘土的作用類似;石英相作為填充相抑制燒結(jié)收縮和變形，同時(shí)對調(diào)整基板層和微晶玻璃層的熱膨脹系數(shù)有著重要的作用;玻璃化廢料主要用來提高強(qiáng)度，如果玻璃化廢料成分設(shè)計(jì)合理，則不用添加其他的玻璃料，實(shí)際上很多玻璃化廢料，如粉煤灰和鋼渣，在較低的燒結(jié)溫度下流動性差，會造成基板層乃至復(fù)合板的強(qiáng)度低，這時(shí)需要加入一定的低溫流動好的玻璃料。

(2) 燒結(jié)溫度的選擇主要以微晶玻粒層獲得最優(yōu)的燒結(jié)晶化為依據(jù)。由于微晶玻璃層采用細(xì)分壓制燒結(jié)，充分發(fā)揮表面晶化機(jī)制，并在最優(yōu)的燒結(jié)晶化溫度燒結(jié)，微晶玻璃層晶化良好、硬度高，和純微晶玻璃板材的性能完全一樣。

(3)通常硅灰石系微晶玻璃最優(yōu)燒結(jié)晶化溫度在1000oC左右，在這個(gè)燒結(jié)溫度下，基板層不能燒結(jié)致密，基板層強(qiáng)度主要由其中的玻璃料確定。試驗(yàn)測試的燒結(jié)收縮在1.4%左右，幾乎是一個(gè)常數(shù)。這樣的顯微結(jié)構(gòu)對于廢渣的利用、兩層材料的結(jié)合和變形的控制是有益的。較低的燒結(jié)收縮能夠很好地控制復(fù)合板的變形，并且對廢渣成分的變化不敏感。

DSC試驗(yàn)確定微晶玻璃料的晶化峰溫為980oC，因此確定復(fù)合板樣品的燒結(jié)溫度為980oC。但研究表明[6]，粉煤灰在高于1050oC燒成后，強(qiáng)度明顯提高。為了提高復(fù)合板的強(qiáng)度，將其中一組樣品的燒結(jié)溫度提高到1080 oC，由于此溫度高于微晶玻璃的晶化峰溫，故對微晶玻璃層原料的配比進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。

如圖1所示，DSC試驗(yàn)確定微晶玻璃料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度、晶化起始溫度和晶化峰溫分別為690 oC、853 oC和983 oC，因此確定復(fù)合板樣品的燒結(jié)溫度為980 oC。已有的研究表明[6]，粉煤灰粘土煅燒溫度高于1050 oC，強(qiáng)度明顯提高。為了提高復(fù)合板的強(qiáng)度，將其中一組樣品的燒結(jié)溫度提高到1080 oC，由于此溫度高于微晶玻璃的晶化峰溫，在此溫度下燒結(jié)，導(dǎo)致微晶玻璃層有大量的殘余氣孔，因此對微晶玻璃層原料的配比進(jìn)行了調(diào)整，在微晶玻璃層中添加了15 wt%的鉀長石，通過鉀長石燒結(jié)熔化，提高微晶玻璃層的致密度。

圖2為經(jīng)不同溫度燒結(jié)并拋光后的樣品照片，由圖2可以看出，復(fù)合板燒結(jié)良好，兩層材料結(jié)合良好，微晶玻璃層整體燒結(jié)致密。

圖3b和3c分別為在980oC和1080oC燒結(jié)后的微晶玻璃樣品的SEM照片，圖3a為一商用拋光磚的SEM照片，由圖可見，微晶玻璃層的殘余氣孔的尺寸均小于100μm。980oC燒結(jié)的樣品，微晶玻璃層少量氣孔尺寸較大;1080oC燒結(jié)的樣品，氣孔的尺寸明顯減小，說明添加15wt%的鉀長石能明顯提高微晶玻璃層在較高燒結(jié)高溫下的致密性。圖3c中，顏色較深的大顆粒為殘余鉀長石相，EDS分析表明，其主要成分為K2O和SiO2。另外，由圖3c可看出，微晶玻璃層的氣孔明顯少于普通拋光磚。

圖4為分別在980oC和1080oC燒結(jié)的微晶玻璃樣品的XRD圖譜，結(jié)果表明，微晶玻璃層的主要晶相為硅灰石。經(jīng)硬度和彎曲強(qiáng)度測試，980oC燒結(jié)微晶玻璃層維氏硬度為5.88GPa，1080oC燒結(jié)微晶玻璃層的維氏硬度為6.03GPa，而實(shí)驗(yàn)中所用的拋光磚的維氏硬度為4.80GPa;兩個(gè)燒結(jié)溫度下，復(fù)合板樣品的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度分別為25MPa和39MPa。

4 結(jié)論

利用廢渣生產(chǎn)微晶玻璃玻璃復(fù)合板，采用類似于瓷質(zhì)磚的制備工藝，生產(chǎn)成本低，能夠大量利用工業(yè)廢渣，如本實(shí)驗(yàn)中廢渣的加入量大于50wt%;能夠保留微晶玻璃的優(yōu)點(diǎn)，如高硬度和高耐磨性;同時(shí)生產(chǎn)成本較低，為利用低質(zhì)量原料以及工業(yè)廢渣生產(chǎn)建材提供了新思路。

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