朱志超 梁章發(fā) 方仁德 楊華亮

摘 要：以粘土、氧化鋁粉、剛玉為主要原料制備剛玉莫來(lái)石質(zhì)陶瓷，研究剛玉莫來(lái)石陶瓷的高溫性能，包括不同溫度下的抗折強(qiáng)度、高溫彈性模量、高溫蠕變率等性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，燒成溫度在1550℃時(shí)，陶瓷試樣莫來(lái)石晶相生長(zhǎng)較好，大部分呈現(xiàn)長(zhǎng)柱狀及針狀，高溫強(qiáng)度隨溫度的升高先上升后下降，在1100℃左右達(dá)到最大值;高溫彈性模量也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，其高溫強(qiáng)度與高溫彈性模量性能呈正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：剛玉莫來(lái)石;高溫強(qiáng)度;高溫彈性模量

1 前言

剛玉莫來(lái)石復(fù)相陶瓷材料具有莫來(lái)石相熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)低、強(qiáng)度高、抗蠕變性及抗熱震性能好的特點(diǎn)，同時(shí)具有剛玉相彈性高、耐磨、抗侵蝕抗氧化的特點(diǎn)，且剛玉莫來(lái)石原料來(lái)源豐富，因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫抗熱震陶瓷材料[1]，特別是在高溫陶瓷窯具行業(yè)，例如用于輥道窯高溫?zé)蓞^(qū)的陶瓷輥棒、推板窯的窯具等都大多采用剛玉莫來(lái)石質(zhì)陶瓷。為了提高生產(chǎn)效率、降低能耗，輥道窯越來(lái)越寬，陶瓷產(chǎn)品規(guī)格越來(lái)越大，這就對(duì)陶瓷窯具的要求越來(lái)越高，尤其是陶瓷的高溫強(qiáng)度及抗熱震性能。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 剛玉莫來(lái)石陶瓷的制備

采用高純氧化鋁、茂名高嶺土、剛玉作為原料，設(shè)計(jì)配方：高嶺土15 ～ 20%、氧化鋁30 ～ 40%、剛玉40 ～ 50%。對(duì)配方料球磨2 h，料球水比為1：1.5：0.8，干燥后過(guò)100目篩。加水、粘結(jié)劑進(jìn)行二次混料并陳腐24 h，擠壓成Ф50 mm×600 mm圓筒狀并烘干。在高溫井式電爐中燒成，燒成溫度1500℃和1550℃，保溫4 h。

2.2 性能表征

采用高溫抗折儀對(duì)試樣進(jìn)行高溫強(qiáng)度測(cè)試（測(cè)試溫度由900 ～ 1350℃，每50℃段測(cè)試一次），高溫彈性模量蠕變儀測(cè)試試樣的高溫彈性模量（測(cè)試溫度由900 ～ 1350℃，每50℃段測(cè)試一次）及蠕變率（測(cè)試溫度1300℃）。用日本理學(xué)X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相測(cè)試，SEM對(duì)試樣微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 X射線衍射分析

圖1顯示的是1500℃和1550℃燒成溫度的陶瓷試樣的XRD圖譜，從圖中可以看出試樣主要由莫來(lái)石相和剛玉相組成，其中在2θ為26.3°（d值為5.38）和16.4°（d值為3.39）為莫來(lái)石相的衍射峰，在2θ為35.2°（d值為2.55）和43.4°（d值為2.08）為剛玉相的衍射峰。1550℃時(shí)莫來(lái)石相生成量較1500℃多，剛玉相相應(yīng)低于1500℃。

3.2 斷面掃描電鏡分析

圖2和圖3分別顯示的是在1500℃和1550℃燒成溫度下的剛玉莫來(lái)石陶瓷的斷面SEM圖，從圖中可以看到在1500℃燒成溫度下試樣的莫來(lái)石相主要呈短柱狀，玻璃相將晶體包裹。在1550℃燒成溫度下試樣的莫來(lái)石相呈長(zhǎng)柱狀，且在微孔結(jié)構(gòu)中存在較多的針狀莫來(lái)石。1500℃燒成溫度偏低，導(dǎo)致莫來(lái)石相生長(zhǎng)受到限制，當(dāng)燒成溫度提高到1550℃時(shí)，一次莫來(lái)石生長(zhǎng)完全，體系中出現(xiàn)液相，二次莫來(lái)石生長(zhǎng)增多，繼續(xù)生長(zhǎng)為相互穿插的長(zhǎng)柱狀并發(fā)育成為針狀晶，陶瓷的結(jié)構(gòu)更加均勻致密。

3.3 高溫性能分析

圖4顯示的是不同溫度下陶瓷試樣的高溫強(qiáng)度值，從圖中可以看出在燒成溫度為1500℃時(shí)，陶瓷試樣隨著溫度的升高，其高溫強(qiáng)度逐漸增大，在1050℃溫度下高溫強(qiáng)度值達(dá)到最大68.37 MPa，超過(guò)1050℃后其高溫強(qiáng)度逐漸降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要原因可能是在高溫下熔融玻璃相與剛玉相、莫來(lái)石相之間融合，使得各相之間結(jié)合更加緊密，因此其高溫強(qiáng)度增大，但是隨著溫度繼續(xù)升高玻璃相反而會(huì)影響陶瓷的強(qiáng)度。燒成溫度為1550℃時(shí)陶瓷試樣也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，其相同測(cè)試溫度下的高溫強(qiáng)度比1500℃要高，其最高強(qiáng)度值是在1100℃，達(dá)到75.58 MPa，主要原因是1550℃燒成溫度試樣莫來(lái)石相生長(zhǎng)更好。

圖5顯示的是1500℃和1550℃燒成溫度下陶瓷試樣在不同溫度下的彈性模量，彈性模量是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。從圖5可知，隨著測(cè)試溫度的提高陶瓷試樣的高溫彈性模量先增加后降低，燒成溫度為1500℃時(shí)其彈性模量在1000℃達(dá)到最大值74.22 GPa，燒成溫度為1550℃時(shí)彈性模量在1050℃達(dá)到最大值84.32 GPa。彈性模量與高溫強(qiáng)度值呈現(xiàn)相同的先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，且在同一測(cè)試溫度下達(dá)到最大值。

表1是1500℃和1550℃燒成的陶瓷試樣在1300℃溫度下測(cè)試的高溫蠕變率，高溫蠕變率主要反映材料在一定載荷及溫度條件下發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象，蠕變率越高說(shuō)明陶瓷材料在載荷和高溫條件下越容易發(fā)生塑性變形[2]。從表中可知燒成溫度1500℃的高溫蠕變率比1550℃的要大，說(shuō)明燒成溫度是影響陶瓷制品的高溫蠕變性能的一個(gè)重要因素。

4 結(jié)論

（1） 合成的剛玉莫來(lái)石陶瓷主要有剛玉相和莫來(lái)石相組成，在1550℃溫度下燒成莫來(lái)石相生成較多，且莫來(lái)石相發(fā)育更好，呈現(xiàn)長(zhǎng)柱狀和針狀。

（2） 剛玉莫來(lái)石陶瓷的高溫強(qiáng)度和高溫彈性模量隨測(cè)試溫度提高先上升后下降，燒成溫度為1500℃時(shí)，在1050℃達(dá)到最大強(qiáng)度值80.27 MPa和88.66 GPa;燒成溫度為1550℃時(shí)，在1100℃達(dá)到最大值85.38 MPa和99.32 GPa。

（3） 燒成溫度是影響剛玉莫來(lái)石陶瓷高溫強(qiáng)度、高溫彈性模量及高溫蠕變率的重要因素。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭興忠，程本軍，楊輝. 鋯溶膠制備及其對(duì)剛玉莫來(lái)石復(fù)相陶瓷性能的影響[J]. 陶瓷學(xué)報(bào)，2006， 27（1）：11-14.

[2] 劉洋，梁軍. 陶瓷材料高溫蠕變行為研究[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，17（2）：105-109.