陳哲寧，陳慧子，王家邦

(浙江大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

1 前 言

隨著新能源開發(fā)與利用儲能與電池的技術(shù)迅猛發(fā)展，鋰離子電池作為能量轉(zhuǎn)換效率較高的化學(xué)儲能設(shè)備也得到快速發(fā)展。日本索尼公司在19世紀末首次實現(xiàn)鋰離子電池商用化以來[1]，憑借其能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)及環(huán)保等優(yōu)點，在消費類電子設(shè)備以及電動汽車等領(lǐng)域攻城掠地，現(xiàn)已牢牢占據(jù)二次電池的高端市場[2-3]。正極材料作為鋰離子電池的重要組成部分，在其生產(chǎn)過程中需使用大量的窯具材料，生產(chǎn)窯爐也需使用耐火材料砌筑爐體和作保溫材料[4-5]。正極材料燒結(jié)爐爐膛與爐襯多為Al2O3、SiO2系耐火材料，常見爐膛由高鋁質(zhì)磚體構(gòu)筑，隔熱層則由多孔硅藻土隔熱磚等隔熱材料搭建砌成。用于焙燒的鋰離子電池正極材料多為細粉狀，與窯具接觸面積較大，并且其中的強堿性鋰離子對窯具有很強的侵蝕性[6]。常用的莫來石等材料高溫下易被堿侵蝕，生產(chǎn)過程中爐膛完全暴露在含鋰蒸汽中，導(dǎo)致爐膛耐火材料使用壽命短，還同時存在容易剝落、掉渣等問題，嚴重影響正極材料生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量。

基于現(xiàn)狀，耐火材料的抗侵蝕性——即抵抗熔渣腐蝕而不至破壞的能力就顯得至關(guān)重要[7]。鎂鋁尖晶石具備高熔點((2135±20) ℃)、低熱導(dǎo)率(1000 ℃時為5.82 W/(m·K))、低熱膨脹系數(shù)(20～1000 ℃時為7.6×10-6℃-1)以及良好的抗熱震穩(wěn)定性等一系列優(yōu)良性能[8-9]。除此之外，鎂鋁尖晶石還具有優(yōu)秀的抗堿侵蝕能力，與堿礦物、堿熔體、堿土金屬及一系列氧化物的化學(xué)關(guān)系穩(wěn)定[10-11]。良好的抗熔渣侵蝕性使得鎂鋁尖晶石作為焙燒正極的窯體有很好的應(yīng)用前景，在窯具實際開發(fā)生產(chǎn)過程中也證明尖晶石是良好的氧化鋰抗腐蝕材料。

目前國內(nèi)外關(guān)于鎂鋁尖晶石研究主要集中于作為致密的耐火材料[12]，但制備出的致密尖晶石陶瓷磚存在密度大，熱導(dǎo)率高和成本高等缺點[13-14]。采用原位分解成孔、泡沫法等工藝制備的輕質(zhì)尖晶石材料[15-17]，具有良好的熱震穩(wěn)定性[18-19]和耐化學(xué)腐蝕性[20-21]，但這些產(chǎn)品存在工藝復(fù)雜和成型困難的缺點?；谏鲜鰬?yīng)用和研究，本研究將采用電熔法噴吹工藝制備得到的尖晶石空心球作為輕質(zhì)骨料，ρ-Al2O3作為結(jié)合劑[22-23]，固相反應(yīng)法制備出輕質(zhì)尖晶石空心球陶瓷。該陶瓷制備工藝簡單且作為抗氧化鋰腐蝕爐膛高溫耐材的性能理想。本研究以期為基于尖晶石的耐氧化鋰腐蝕爐膛高溫耐材的開發(fā)提供實驗依據(jù)。

2 實 驗

2.1 實驗原料

研究所用原料化學(xué)組成見表1，其中ρ-Al2O3粉為320目，輕燒鎂粉為200目。作為輕質(zhì)骨料的尖晶石空心球，其化學(xué)組成和主要性能指標(biāo)見表2。

表1 主要原料的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of main raw materials

表2 尖晶石空心球成分、分級粒度以及對應(yīng)密度Table 2 Composition, grading size and bulk density of spinel bubbles

2.2 實驗方案設(shè)計

采用65 wt%的ρ-Al2O3與35 wt%的輕燒氧化鎂作為尖晶石陶瓷的基礎(chǔ)配比。采用正交分析法，以燒成溫度、鈦白粉添加量及硼砂添加量作為三種影響因子(記為A、B、C)，燒結(jié)助劑均采用外加。每種影響因子有四個影響水平(燒成溫度分別為1 500、1 600、1 700、1 780 ℃，添加劑添加量分別為0、1%、2%、4%，記為1、2、3、4)，具體方案見表3。

表3 正交實驗表Table 3 Orthogonal experimental table

通過正交分析優(yōu)選尖晶石陶瓷的配方，制備尖晶石空心球陶瓷，研究燒結(jié)助劑對其微觀結(jié)構(gòu)的影響以及研究優(yōu)選的配方制備出的尖晶石空心球陶瓷的力學(xué)性能。

2.3 實驗方法

按照基礎(chǔ)配比稱取ρ-Al2O3、輕燒氧化鎂以及燒結(jié)助劑，在球磨機中研磨混合均勻，配成16組混合粉，在粉料中加入適量水后干壓成型。成型后，樣品自然放置24 h后，經(jīng)60 ℃烘干，以7 ℃/min升溫速率升至不同燒成溫度后保溫4 h即制得試樣。測定燒成試樣的孔隙率，體積密度及抗折強度。

尖晶石空心球分別按3.0～5.0 mm、2.0～3.0 mm、1.0～2.0 mm、0.2～1.0 mm篩選分級后，按照不同質(zhì)量比進行級配，級配好的尖晶石空心球中加入ρ-Al2O3和輕燒氧化鎂粉作為基質(zhì)粉料，其中ρ-Al2O3作為結(jié)合劑，硼砂、鈦白粉作為燒結(jié)助劑。準(zhǔn)確稱取各原料，混合好空心球后，再加入球磨機預(yù)先混合的微粉，加水制成漿料，混制10 min。將漿料加入三聯(lián)模具放在振動臺上，采用振動加壓方式成型，尺寸為160 mm×40 mm×40 mm。成型后，磚坯自然放置24 h，經(jīng)60 ℃烘干脫模后，升溫速率7 ℃/min至燒結(jié)溫度保溫4 h燒成，挑選棱角完整的測試制品抗折強度和耐壓強度，并對燒成后試樣進行掃描電鏡觀察。

2.4 性能表征

使用Archimedes排水法測定燒結(jié)樣品的孔隙率；使用WE-B型液壓式萬能試驗機測試陶瓷樣品常溫抗折強度與抗壓強度；使用PHILIPSXL Series掃描電鏡(SEM)對陶瓷樣品進行斷口結(jié)構(gòu)和燒結(jié)情況觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 燒結(jié)助劑與燒成溫度對尖晶石陶瓷性能的影響

鎂鋁尖晶石反應(yīng)相對緩慢，往往需要提高燒成溫度或添加燒結(jié)助劑來加速反應(yīng)[24]。在不改變其他條件的基礎(chǔ)上，研究燒成溫度(A)與鈦白粉添加量(B)和燒結(jié)助劑硼砂(C)對陶瓷性能的影響。

3.1.1對試樣體積密度的影響 各因子及水平對體積密度的影響結(jié)果見表4。

表4 體積密度正交分析表Table 4 Orthogonal analysis table for bulk density

采用極差分析法，根據(jù)極差值R判斷，三個因素對尖晶石陶瓷體積密度影響差別不大，其順序依次為：燒成溫度>鈦白粉添加量>硼砂添加量，最佳條件為A4B4C4，即對尖晶石陶瓷體積密度提高最大的組合為燒結(jié)溫度1 780 ℃，鈦白粉添加量4 wt%，硼砂添加量4 wt%。采用方差分析法，通過三因素方差分析研究溫度、鈦白粉添加量、硼砂添加量對密度影響關(guān)系，溫度(F=56.274，p=0.000<0.05)、鈦白粉添加量(F=15.235，p=0.003<0.05)、硼砂添加量(F=5.113，p=0.043<0.05)三者都呈現(xiàn)出顯著性，說明主效應(yīng)存在，對體積密度存在較大的影響。

從以上分析可以看出，燒結(jié)溫度對尖晶石陶瓷的體積密度影響最大。1 500 ℃時，粉體發(fā)生鎂鋁尖晶石反應(yīng)伴隨著8 wt%的體積膨脹，整體較為疏松，同時晶粒發(fā)育較差，晶粒尺寸較小，材料中氣孔較多；隨

著溫度提高，物質(zhì)在表面能的推動作用下，通過擴散向材料內(nèi)部孔隙部位進行生長與填充，隨著燒結(jié)進行，晶界面積快速增加，氣孔不斷減少，材料逐漸致密。固態(tài)燒結(jié)以擴散傳質(zhì)為主要傳質(zhì)方式，燒結(jié)溫度的提高有利于擴散從而加快固相反應(yīng)地進行，1780 ℃基本燒結(jié)完成，整體瓷化。因此，較之其他因素，燒結(jié)溫度對樣品的體積密度影響最顯著。

鈦白粉添加量也是影響樣品體積密度的重要參數(shù)之一，這是因為TiO2的加入，促進了陶瓷的燒結(jié)，使樣品更為致密。TiO2對于尖晶石形成和燒結(jié)的影響主要有兩方面原因[25]：一方面是由于TiO2以雜質(zhì)方式形成液相，從而促進液相反應(yīng)燒結(jié)；另一方面是尖晶石結(jié)構(gòu)中固溶了一定量的Ti，形成了陽離子空缺，Ti4+占據(jù)了尖晶石晶體結(jié)構(gòu)中的八面體間隙，使得Mg2+空位濃度增加，其機理如下：尖晶石晶體結(jié)構(gòu)中空位濃度增加，為內(nèi)部離子的擴散提供更多的通道，可以大大提高離子的擴散速率。Ti4+和Al3+離子半徑分別為0.060 5和0.053 5 nm，造成尖晶石晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，進一步活化晶格，促進了材料的擴散燒結(jié)，提高了試樣的燒結(jié)致密度。這些都使得陶瓷制品的顯氣孔率減小，體積密度增加。

硼砂的加入則對樣品體積密度影響較小，通過引入B3+雜質(zhì)，形成低熔點液相，加快了擴散傳質(zhì)速度，增加了顆粒間接觸面積，通過晶界移動、晶粒發(fā)育長大以及大晶粒的吞并使得連通氣孔不斷縮小成孤立的閉氣孔，然后氣孔遷移至晶界消失，材料逐漸致密化。

整體來看，1 500 ℃下鈦白粉和硼砂的添加對低溫促進燒結(jié)效果顯著，其中鈦白粉效果更明顯，但隨添加量的繼續(xù)增加效果則減弱。隨著燒結(jié)溫度的提高，材料逐漸致密，適量添加鈦白粉和硼砂的陶瓷體積密度更高，整體更為致密。

3.1.2對試樣力學(xué)性能的影響 各因子及水平對抗折強度的影響結(jié)果見表5。

表5 常溫抗折強度正交分析表Table 5 Orthogonal analysis table for bending strength

采用極差分析法，根據(jù)極差值判斷，三個因子對尖晶石陶瓷常溫抗折強度影響順序依次為：燒結(jié)溫度>鈦白粉添加量>硼砂添加量，最佳條件為A4B4C3，即對尖晶石陶瓷體積密度提高最大的組合為燒結(jié)溫度1 780 ℃，鈦白粉添加量4 wt%，硼砂添加量2 wt%。采用方差分析法，通過三因素方差分析研究溫度、鈦白粉添加量、硼砂添加量對密度影響關(guān)系，其中溫度的F=11.147，p=0.007<0.05，說明主效應(yīng)存在，對抗折強度存在較大的影響，鈦白粉和硼砂的影響則不如溫度顯著。

從常溫抗折強度分析可以看出，燒結(jié)溫度影響最大，鈦白粉添加量次之，硼砂添加量最小。燒結(jié)溫度對于樣品常溫耐壓強度影響顯著，這是因為溫度在1 500 ℃時，主要發(fā)生尖晶石反應(yīng)，試樣產(chǎn)生輕微的膨脹使得結(jié)構(gòu)比較疏松，強度較低；1 600 ℃時，尖晶石化反應(yīng)基本完全，但晶粒尺寸仍較小，材料中氣孔較多，燒結(jié)作用逐漸明顯，試樣出現(xiàn)輕微收縮且耐壓強度增大；1 700 ℃時，主要承受燒結(jié)作用，氣孔不斷減少，材料逐漸致密，耐壓強度進一步提高；1 780 ℃時試樣已經(jīng)致密，燒結(jié)基本停止，提高燒結(jié)溫度對力學(xué)性能影響逐漸變小。TiO2的添加改善了陶瓷樣品的燒結(jié)性，促使材料晶體發(fā)育較為完全，形成連續(xù)的固溶體，使得晶界間結(jié)合更好，樣品更為致密，抗壓強度明顯提高。硼砂的加入則是通過引入B3+雜質(zhì)，一方面促使尖晶石相長大，晶格發(fā)育更完全，另一方面提高了高溫下液相的粘度、基質(zhì)中高溫固相的直接結(jié)合率，從而提高了樣品的抗壓強度。

從表5可見，溫度較低且未添加燒結(jié)助劑時，因尖晶石反應(yīng)發(fā)生膨脹，致使材料結(jié)構(gòu)疏松，抗折強度極低；而低溫下添加燒結(jié)助劑則效果明顯，抗折強度大幅提升。同時還可以觀察到，過量添加燒結(jié)助劑并沒有繼續(xù)提高材料的抗折強度，甚至適得其反；高溫及添加量合適的燒結(jié)助劑制備出的尖晶石陶瓷抗折性能最佳，高達66.41 MPa。

根據(jù)抗折強度優(yōu)選配方：1 780 ℃燒成、鈦白粉和硼砂添加量分別為4 wt%和2 wt%的尖晶石陶瓷力學(xué)性能最佳，密度為3.10 g·cm-3，對應(yīng)抗折強度為71.81 MPa。因此優(yōu)選該配方作為尖晶石空心球陶瓷的基礎(chǔ)配方。

3.2 尖晶石空心球陶瓷的微觀形貌

不同燒結(jié)條件下制得的尖晶石空心球陶瓷磚的微觀形貌如圖1所示。從圖1(a)中可以觀察到尖晶石空心球陶瓷是由不同粒徑的空心球通過基質(zhì)粉料燒結(jié)在一起。添加優(yōu)選后的燒結(jié)助劑1 780 ℃燒結(jié)得到的尖晶石空心球陶瓷磚的微觀形貌見圖1(d)，相較于圖1(a)，可以看到尖晶石空心球陶瓷內(nèi)的基質(zhì)和粉料燒結(jié)的更為緊密，整體形貌一致性更強。

圖1(b)為圖1(a)空心球與基質(zhì)結(jié)合處高倍圖像，圖中發(fā)現(xiàn)空心球與空心球間已通過粉料燒結(jié)在一起，但基質(zhì)結(jié)合處存在一些孔隙，空心球內(nèi)壁的晶粒與初始晶粒形貌一致呈六面體狀，沒有發(fā)生晶粒長大。圖1(e)則為圖1(d)空心球與基質(zhì)結(jié)合處高倍圖像，對比圖1(b)，可以看到基質(zhì)燒成的尖晶石晶粒間結(jié)合更為緊密，而空心球內(nèi)壁的晶粒相較初始晶粒發(fā)生了較大的變化，晶粒間結(jié)合更為緊密，晶粒表面更光滑且沒有明顯的楞角。這是因為在燒結(jié)助劑的作用下尖晶石空心球與基質(zhì)粉料在1 780 ℃下就加熱到了半熔融狀態(tài)，液相燒結(jié)使得晶粒間結(jié)合更為緊密，內(nèi)部孔隙逐漸消失。

圖1 不同燒結(jié)條件下尖晶石空心球磚整體形貌和基質(zhì)結(jié)合顯微照片 (a, b, c)1 780 ℃,不添加燒結(jié)助劑；(d, e, f)1 780 ℃，添加2 wt%硼砂和4 wt%鈦白粉Fig. 1 SEM images of spinel bubble bricks with different sintering conditions (a, b, c)1 780 ℃, without any sintering additives;(d, e, f)1 780 ℃, 4 wt% titanium dioxide and 2 wt% borax are added as additives

圖1(c)是在圖1(b)基礎(chǔ)上繼續(xù)放大的圖片，著重顯示尖晶石空心球陶瓷中基質(zhì)料的顯微結(jié)構(gòu)，從圖可見粉體已燒結(jié)團聚，團聚顆粒之間結(jié)合較為緊密，但顆粒與顆粒之間仍存在孔隙。空心球間的粉料在燒結(jié)過程中發(fā)生尖晶石反應(yīng)生成尖晶石晶粒，隨燒結(jié)溫度提高晶粒長大。相較于基質(zhì)粉料與粉料之間，粉料與空心球之間的晶粒結(jié)合可以直觀地觀察到空心球內(nèi)壁晶粒結(jié)合較為疏松，晶粒之間結(jié)合強度低，力學(xué)性能測試過程中表現(xiàn)出明顯的穿球斷裂。圖1(f)為添加了燒結(jié)助劑的陶瓷基質(zhì)處放大的顯微照片，圖中觀察到基質(zhì)處的晶粒和空心球內(nèi)壁晶粒一樣，變得光滑規(guī)整，在助劑的作用下基質(zhì)間的孔隙都被燒結(jié)緊密，且基質(zhì)間晶粒結(jié)合與空心球間晶粒結(jié)合沒有明顯差異，整體晶粒結(jié)合更為一致，在力學(xué)性能測試過程發(fā)生斷裂沒有明顯的穿球斷裂特征，體現(xiàn)了整體強度的一致性。

3.3 尖晶石空心球陶瓷的力學(xué)性能分析

通過對燒結(jié)溫度、添加劑的優(yōu)選改進了配方，基質(zhì)粉料選擇富鎂組成配比Al∶Mg=65∶35，過量的MgO可以極大地提高尖晶石的致密化程度，其原因是游離的方鎂石抑制了尖晶石晶界的遷移，導(dǎo)致尖晶石的晶粒變小，更有利于樣品的致密化[26]。表6為改變空心球級配制備出的輕質(zhì)尖晶石空心球陶瓷的性能，輕燒鎂粉和ρ-Al2O3作為基質(zhì)粉料添加量不變，通過改變作為輕質(zhì)骨料的尖晶石空心球的級配來制備不同密度的輕質(zhì)尖晶石空心球陶瓷。1 780 ℃熱處理保溫4 h燒結(jié)得到不同密度的尖晶石空心球陶瓷，其抗折強度、耐壓強度與密度的關(guān)系見圖2。在基質(zhì)料為44 wt%的條件下，通過改變不同粒徑空心球的加入量來調(diào)整尖晶石空心球陶瓷的密度，隨著大粒徑空心球的減少，輕質(zhì)尖晶石空心球陶瓷制品密度提高，其抗折強度和耐壓強度也隨之升高。設(shè)計密度為1.0 g/cm3的尖晶石空心球陶瓷，其抗折強度僅為3.75 MPa，耐壓強度僅為5.61 MPa，而設(shè)計密度為1.60 g/cm3的尖晶石空心球陶瓷，其抗折強度則達到13.86 MPa，耐壓強度更是高達39.24 MPa。

表6 不同空心球級配制備的輕質(zhì)尖晶石空心球陶瓷Table 6 Formula of lightweight spinel bubble ceramics with different gradation

圖2 不同級配的輕質(zhì)尖晶石空心球陶瓷的力學(xué)性能 (a)抗壓強度；(b)抗折強度Fig. 2 Mechanical properties of lightweight bubble spinel ceramics with different gradation of spinel bubbles (a) compressive strength; (b) bending strength

從陶瓷組成結(jié)構(gòu)上來說，空心球為骨料，基質(zhì)粉料起到加強球體間結(jié)合提高陶瓷整體制品的作用。大粒徑的空心球占比較多，混合得到的球體密堆密度較低，球與粉料比例不變，則單位體積內(nèi)基質(zhì)粉料就相對較少?；|(zhì)粉料填充在球體孔隙中，燒結(jié)后是陶瓷整體強度的主要來源，單位體積內(nèi)基質(zhì)粉料增多，陶瓷密度增大，陶瓷制品力學(xué)性能上升。減少大粒徑的空心球，增加小粒徑球體，空心球密堆密度增加，單位體積內(nèi)粉料相對增多，密度相對更高，使得球體和粉料間接觸更為緊密，高溫?zé)Y(jié)后抗壓強度與抗折強度都得到顯著提升。

4 結(jié) 論

1．通過正交實驗研究燒結(jié)溫度和燒結(jié)助劑對于尖晶石陶瓷體積密度和常溫抗壓強度的影響及其機理，優(yōu)選出最佳的配方為：添加4 wt%鈦白粉、2 wt%硼砂，燒結(jié)溫度為1780 ℃。

2．分析尖晶石空心球陶瓷的顯微圖像，觀察在不同燒結(jié)條件下陶瓷內(nèi)部燒結(jié)情況。采用優(yōu)選燒結(jié)溫度與燒結(jié)助劑的條件下，其燒結(jié)情況良好，材料結(jié)合緊密，結(jié)晶完整，無明顯孔隙。

3．優(yōu)選實驗方案，通過改變空心球級配，來制備不同密度的輕質(zhì)尖晶石空心球陶瓷，設(shè)計密度為1.00～1.60 g/cm3的輕質(zhì)尖晶石陶瓷抗壓強度為5.61～39.24 MPa，抗折強度為3.75～13.86 MPa。