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堇青石蜂窝陶瓷的研究

白佳海  
【摘要】:堇青石蜂窝陶瓷因具有优良的抗热震性能、良好的吸附性能、较高的耐火度和相当的机械强度而得到了广泛的应用,如汽车尾气催化净化器载体、碳烟微颗粒捕捉器等。堇青石蜂窝陶瓷因在环境污染,特别是大气污染防治中的重要作用而成为国内外环境工程材料领域中的一个主要的研究课题。由于堇青石蜂窝陶瓷的应用领域仍在不断扩大,对其性能,特别是热膨胀性能的要求更加严格。因此,进一步开展堇青石蜂窝陶瓷的基础性研究、深入探讨堇青石陶瓷的低热膨胀机理就显得尤为重要。 本文首先对堇青石陶瓷材料进行了基础性研究,包括化学组成、杂质成分(CaO 和Fe2O3)、滑石粒径、烧成工艺等对堇青石陶瓷性能的影响,重点探讨了堇青石晶粒的定向排列现象和相关技术的内在关联。研究发现:工艺路线是决定堇青石蜂窝陶瓷能否获得超低热膨胀系数的决定性因素。实验表明直接以片状高岭土、滑石和氧化铝为原料,经挤制成型、烧成所获得的堇青石蜂窝陶瓷试样的热膨胀系数最低可达1.2×10-6℃-1,明显低于普通堇青石陶瓷的理论热膨胀系数(1.60×10-6℃-1);而所有通过用高岭土、滑石和氧化铝经先预烧合成堇青石粉料,再以合成粉料烧成工艺制备的堇青石蜂窝陶瓷试样的热膨胀系数均高于1.60×10-6℃-1。XRD 图谱结果和理论分析均表明:两种工艺的根本区别在于,一次烧成可造成堇青石晶粒的定向排列,而用两步工艺制备的蜂窝陶瓷中不存在堇青石晶粒定向排列。在滑石粒径对性能的影响试验中发现:滑石粒径在4~7μm 范围内时,试样的热膨胀系数随滑石粒径的增大而明显降低,而显气孔率随滑石粒径的增大而略有增加。XRD 图谱分析显示:粒径较大的滑石有利于堇青石晶粒的定向排列。除定向排列外,化学组成、杂质成分等也会影响堇青石陶瓷的热膨胀系数,试验结果表明:堇青石陶瓷化学组成富含镁铝时,其热膨胀系数明显低于其他试样的热膨胀系数。杂质成分CaO 含量的增加,不仅会导致堇青石陶瓷的热膨胀系数的升高,也不利于蜂窝体的多孔结构的生成。而杂质Fe2O3而言,其含量在0.30~0.55 wt%范围内时,几乎不影响堇青石陶瓷的热膨胀系数;但当其含量0.55 wt%时,堇青石陶瓷的热膨胀系数随之快速升高。烧成实验结果表明,1410℃为堇青石陶瓷的最佳烧成温度,所获得试样的热膨胀系数明显低于在其他温度烧成的试样的热膨胀系数。


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