摘 要：本文以礦物原料制備了氧化鋁-堇青石換熱陶瓷材料，研究了其密度、抗熱震性能和熱導率等性能，并將其用于烤煙生產(chǎn)工藝中。研究結果表明，隨著溫度的提高，樣品的熱導率也有所提高，燒結收縮率也增大；隨著堇青石含量的增加，鋁礬土含量的降低，樣品熱導率先增加后降低，并在堇青石含量為20%，1300℃溫度下燒結時達到最大值4.69W/(m·K)。此時樣品的密度為2.78g/cm3，抗熱震性能良好。

關鍵詞：天然礦物；熱導率；抗熱震；氧化鋁；堇青石

1 引 言

目前密集烤房供熱系統(tǒng)中絕大部分使用鋼制金屬換熱器，而且大部分使用耐硫酸露點腐蝕性能較差的普通低碳鋼。使用高溫下耐酸的合金鋼材，可提高耐腐蝕性、延長換熱器使用壽命，但由于耐酸高溫合金鋼價格比較高，耐腐蝕性也不是很理想。因此，研究開發(fā)耐腐蝕性好、性價比高的新型換熱器材料將成為一個重要的發(fā)展方向。

氧化鋁晶體在常溫下熱導率為30W/m·℃，小于氧化鈹、氮化鋁、金剛石和碳化硅等材料的熱導率值，而其原料來源廣、成本低廉、制造工藝簡單的優(yōu)勢卻是上述材料遠遠不能相比的。但氧化鋁陶瓷的熱膨脹系數(shù)較大，抗熱震能力較差，這些缺點在很大程度上限制了其應用范圍，也未見以氧化鋁陶瓷作為換熱器材料使用的報道。向氧化鋁陶瓷中摻雜堇青石，制備氧化鋁-堇青石復合陶瓷，則可以大大改善其高溫熱物理性能，從而可能將氧化鋁陶瓷的應用拓展至熱工行業(yè)。

湖北省煙葉公司和武漢理工大學綠色建筑材料及制造教育部工程研究中心的研究人員以礦物原料制備了氧化鋁-堇青石換熱陶瓷材料，并研究了其密度、熱導率和抗熱震等性能，提出了較好的配方和熱處理制度，希望能為這種新型陶瓷換熱器材料進一步工業(yè)化生產(chǎn)與推廣提供有益參考。

2 實 驗

2.1實驗原料及方案

實驗主要原料為山西孝義產(chǎn)鋁礬土、河南登封產(chǎn)堇青石、廣西三環(huán)產(chǎn)鉀長石、陜西銅川上店土，白云石和碳酸鋇作為添加劑少量使用，所用原料的主要化學組成見表1。所有原料均預先進行破碎粉末，所得粉料過100目篩備用。

按照表2配料，分別記為1#、2#、3#、4#組，四組配方中紫木節(jié)土、鉀長石、白云石和碳酸鋇含量一致，分別為7%、3%、4%和4%，僅改變鋁礬土和堇青石的含量。將制備好的配合料按照料:球:水=1:1.5:2的質(zhì)量比例，在以剛玉球為研磨介質(zhì)的球磨罐中球磨48h，然后在100℃下烘干24h。

將球磨48h后烘干得到的配合料造粒，分別在4MPa的壓力下成形得到直徑為12mm的圓片坯體，在20MPa壓力下成形得到尺寸為50mm×30mm×15mm的塊狀坯體。然后分別在1280℃和1300℃溫度下燒成得到氧化鋁-堇青石陶瓷樣品，燒成溫度受限于中試陶瓷廠窯爐的燒成溫度。

2.2性能測試

樣品的體積密度用阿基米德原理測試；樣品的燒結線收縮率用游標卡尺測量；陶瓷樣品的抗熱震性能按照YB/T376.3[1]進行測試，將樣品分別在800℃和600℃中保溫20min以使之充分受熱，然后取出在20℃的水中急冷，完全冷卻后擦干樣品表面的水分，觀察樣品表面是否產(chǎn)生裂紋，反復進行上述試驗。在800℃下進行10次試驗，600℃下進行40次試驗，樣品沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，即通過了抗熱震性能試驗。

樣品的熱導率采用TC-7000H激光熱常數(shù)儀進行測試，熱導率的單位為W/（m·℃）。

3 結果與討論

3.1樣品的密度和收縮率分析

燒成后樣品的密度見圖1。結合表2各組配方，隨著溫度的提高，同一配方的樣品的密度有所提高，說明提高溫度可以促進樣品的燒結致密化[2]。

由于所用的原料基本上為礦物原料，所含的各種堿金屬和堿土金屬氧化物如MgO、CaO、Na2O等都起到了燒結助劑的作用。燒結過程中，這些物質(zhì)在較低溫度下能夠產(chǎn)生液相，小固體顆粒在液相中熔解，并在他處析出使得晶粒長大。液相對大顆粒的潤濕，使得顆粒相互接近并填充氣孔，從而促進了樣品的燒結致密化；隨著燒成溫度的提高，Al3+的擴散速度也相應提高，同時形成的液相也大大增加，燒結進行得更為徹底，所以密度也迅速提高[2]。

由圖1可知，在1280℃和1300℃兩個溫度下，隨著堇青石含量從40%下降到10%，燒成后陶瓷樣品的密度均呈上升的趨勢。這主要是因為堇青石密度較小，約為2.5g/cm3， 而鋁礬土密度較大，約為3.6g/cm3，因此樣品密度主要取決于鋁礬土和堇青石這兩種主要原料比重和燒結程度。堇青石所占比重越多，陶瓷樣品密度就越小。

圖2為樣品燒結線收縮率曲線，隨著溫度的提高和堇青石含量的增加，樣品的燒結線收縮率都呈增長的趨勢。提高溫度有助于燒結的進行，這是因為溫度提高能夠產(chǎn)生更多的液相，從而加強液相燒結，樣品的線收縮率增大。氧化鋁的擴散系數(shù)低，燒結困難，因此鋁礬土含量越高，燒結就越困難。實驗中鋁礬土的含量隨著堇青石含量的提高而降低，從而使得樣品燒結變得更為容易，但是從樣品熱導率方面考慮，堇青石的含量不宜太多。

3.2抗熱震性能分析

所有樣品的抗熱震性能都通過了試驗，符合標準YB/T376.3的要求[1]。

要提高材料的抗熱震性能，要求材料具有高的原始強度、導熱系數(shù)、低的熱膨脹系數(shù)和彈性模量， 提高材料強度和彈性模量之比（σ/E值），意味著材料可以吸收較多的彈性應變能而不致開裂，可使內(nèi)應力得到緩減， 但這些性能上的要求往往難以同時滿足。

少量的分布均勻的氣孔可以使得材料在熱沖擊下的裂紋擴展路線變得曲折，鈍化裂紋，從而在一定程度上提高材料的抗熱震性能[4]。但是氣孔若太多，因為其各項參數(shù)與陶瓷基體相差甚遠，在熱沖擊下會形成較大的內(nèi)應力，對于陶瓷的抗熱震性能更多的是負面的影響。

但更高溫度下燒成的樣品中，隨著燒結的進行，氣孔減少，樣品密度逐漸增大，堇青石與氧化鋁形成長柱狀固溶體，能夠緊密交錯填充在氧化鋁晶粒之間，這樣可以提高裂紋擴展需要的能量，從而增強了材料的抗熱震性能[3]。

陶瓷的晶界主要是玻璃相，這是燒結過程中助熔劑形成的液相冷卻的產(chǎn)物。玻璃相會降低抗熱震性能，因此在制備過程中應當盡量減少液相的形成。

3.3熱導率分析

圖3為不同燒成溫度下燒結的樣品的熱導率曲線，隨著堇青石含量的提高，鋁礬土含量的降低，樣品的熱導率先上升、后下降。在堇青石含量為20%、鋁礬土含量為62%時，分別在1280℃和1300℃溫度下煅燒得到的樣品熱導率均為最大值，分別為4.52W/(m·K)和4.69 W/(m·K)。

樣品的熱導率取決于組分中氧化鋁的比重以及燒結程度，雖然第1組樣品的密度最大，但是由于其燒結程度是最低的，所以樣品中氣孔較多，致密程度不夠，所以熱導率不是最大；而第4組樣品的燒結收縮率是最高的，但是由于含堇青石較多，氧化鋁含量比較低，所以其熱導率反而是最低的。1300℃溫度下燒成的樣品比1280℃溫度下燒成的樣品的熱導率普遍都高一些，這說明實際生產(chǎn)時，應該盡量提高燒結溫度，以提高產(chǎn)品的性能。但是綜合考慮到樣品的變形問題，收縮率不宜太大，因此應該由樣品的組分和結構確定合適的燒結溫度區(qū)間。

玻璃相的聲子平均自由程較低，相當于幾個晶面間距，所以玻璃相的熱導率往往是很低的。同時由于玻璃相的存在，聲子在運動過程中會被相界面所散射，進一步降低了材料的熱導率[5]。因此在研制高熱導率陶瓷的過程中應當盡量降低樣品中玻璃相的含量，可以采取固相燒結為主、液相燒結為輔的方式進行熱處理，讓玻璃相對材料熱導率的不良影響盡量降低。

樣品中的氣孔對熱導率也有不利影響，氣孔會增加聲子散射界面，使得聲子在傳播過程中受到氣孔界面的散射，從而降低熱導率，因此必須盡量降低氣孔率。但是另一方面，從抗熱震考慮，需要有一定量微小分布均勻的氣孔來增強抗熱震性能[4]。

4 結 論

實驗結果證明，燒成溫度和配方組成對氧化鋁-堇青石導熱陶瓷樣品的性能共同起決定性作用。隨著溫度的提高，樣品的熱導率也有所提高，燒結收縮率也增大。隨著堇青石含量的增加，鋁礬土含量的降低，樣品熱導率先降低后增加，并在堇青石含量為20%、1300℃下燒結時達到最大值4.69W/(m·K)，樣品的密度為2.85g/cm3，抗熱震性能良好。

參考文獻

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[2] 陸小榮，朱永平.陶瓷工藝學[M].長沙：湖南大學出版社，

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[3]韓亞苓，張巍，潘斌斌等. Al2O3-堇青石陶瓷的制備和抗熱震性

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[4] 關振鐸，張中太，焦金生.無機材料物理性能[M].北京：清華大學

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[5] 奚同庚.無機材料熱物性學[M].上海：上?？萍汲霭嫔?，

1980，18～24.

Preparation of Alumina-Cordierite Ceramics for Heat Exchanger Used in Flue-cured Tobacco Room

YUAN Hong-tao1，LU Ping2，MEI Dong-hai1

（1.Tobacco Company of Hubei Province，Hubei 430070，China;2.Green building materials and manufacturing engineering research center of ministry of education，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070， China）

Abstract:Cordierite ceramic for heat exchanger was prepeared by mineral raw materials and was used in flue-cured tobacco production processing.The bulk density， the shrink， thermal shock resistance and thermal conductivity of the samples were researched.The results showed that the thermal conductivity and sintering shrinkage of the samples increased with the temperature raising，and also with the increasing of cordierite and decreasing of alumina， the thermal conductivity raised first and then fall off. When cordierite content was 20% and sintering temperature was 1300℃，the thermal conductivity reached the maximum 4.69W/(m·K)，and the density was 2.78g/cm3.The samples revealed excellent thermal shock resistance.

Key words: mineral raw materials; thermal conductivity; thermal shock resistance; alumnina; cordierite