刚玉—莫来石复相陶瓷窑具的使用过程数学模拟、纳米改性及其设计与制备

【摘要】： 随着我国电子陶瓷及元器件产业的快速发展，推板窑因具有操作方便、温差小等优点，已成为功能材料及元器件的主要烧成设备而备受生产企业重视。目前我国普通陶瓷烧成用推板制造技术取得了长足进步，但电子陶瓷烧成用高温推板与国外相比仍有较大差距。随着功能陶瓷材料及器件烧结工艺及装备的不断改进，传统的粘土质、高铝质、氮化硅结合碳化硅质等推板已无法满足使用要求，要求推板具备高耐反应性、高强低重、使用寿命长等性能。 以刚玉和莫来石为主要材质的刚玉—莫来石复相陶瓷材料及制品，兼有两种材质的优良特性，具有抗热震性能优异、耐高温性能良好和化学稳定性优越等特点，被用作高温推板、精细陶瓷在许多行业得到广泛应用，已成为高性能陶瓷及耐火材料研究热点之一。目前，刚玉—莫来石复相陶瓷推板的研究主要集中在原料配方、粒度级配、成型及烧成工艺等，很少从高温推板的使用过程出发，对复相陶瓷的组成、性能及结构进行协同设计、优化及制备，导致复相陶瓷材料及推板制品的综合性能不理想，产品稳定性不高，推板窑配套高温推板长期依赖进口。 本文全面论述了刚玉—莫来石复相陶瓷及推板的研究与发展现状，利用计算流体力学耦合固体内部热传导，对复相陶瓷推板的使用过程进行数学模拟，获得复相陶瓷推板在使用过程中的升温特征、温度场分布及变化，借此对复相陶瓷的组成、结构及性能进行设计。以全细粉为原料制备刚玉—莫来石复相陶瓷窑具的基质，阐明了硅、铝微粉和烧成温度对窑具基质的影响机制；优化刚玉—莫来石复相陶瓷的制备工艺，利用正交试验方法分析了硅微粉、铝微粉和烧成温度三因素对复相陶瓷性能的影响规律，探讨复相陶瓷的显微结构特征及其与性能之间的相互关系；在复相陶瓷中分别引入几种溶胶，探究溶胶纳米改性复相陶瓷窑具性能及结构及其影响机制；在此基础上制备出高强度、低蠕变、抗热震的刚玉—莫来石复相陶瓷推板制品，实现复相陶瓷组成、结构及性能的设计，满足使用要求。本课题的研究对高温窑具、精细陶瓷的研究开发和产业化具有重要的理论价值和指导意义。主要研究成果如下： 1、采用计算流体力学耦合固体内部热传导模拟计算了刚玉—莫来石复相陶瓷推板在窑炉中的升温过程。模拟表明，刚玉—莫来石复相陶瓷推板表面获得的热流密度变化曲线与窑炉壁面升温曲线规律相似，推板表面升温速度与窑炉壁面相比呈现出很大迟延性，推板的表面温度低于承烧制品的烧结温度；窑炉壁面温度为1680℃时，推板的最高表面温度为1350℃，与内部(15mm处)的温差为1150℃，要求设计窑具制品性能时应首先考虑其热震稳定性能；推板内部的温度梯度产生温度切应力，推板每使用一次，相当于经过一次空冷热震，若要求推板的使用次数大于120次，则推板应承受的空冷热震次数应大于120次，承受的水冷热震次数应大于60次。在此基础上，对刚玉—莫来石复相陶瓷的组成(化学成分、颗粒、基质及添加剂等)、结构(微裂纹、气孔、莫来石骨架及增强相等)及性能(抗热震、蠕变及力学性能等)进行设计。 2、系统研究了刚玉—莫来石复相陶瓷窑具基质的组成、结构及性能，优化了复相陶瓷窑具的工艺参数。复相陶瓷的基质研究结果表明，随硅微粉的增加，基质体密降低，气孔率增加，但抗热震性能的变化不大；铝微粉对基质性能的影响与烧成温度有关，总体变化规律不明显；烧成温度显著影响基质的气孔、玻璃相等显微结构，增加烧成温度有利于提高基质力学性能，但降低热震稳定性。总之，可以通过控制烧成温度和微粉量来调控复相陶瓷窑具基质材料中莫来石相的形成和基质相的结合状态，并适当增加颗粒相配比，从而改善复相陶瓷的热震稳定性和其它性能。在刚玉—莫来石复相陶瓷窑具基质研究的基础上，对刚玉—莫来石复相陶瓷窑具的工艺参数进行优化，利用正交试验分析了硅微粉、铝微粉及烧成温度三个因素对刚玉—莫来石复相陶瓷窑具性能的影响规律，阐明了工艺参数、宏观性能及显微结构之间的相互关系，优化了复相陶瓷的性能及结构。研究发现，三个因素影响的大小与性能有关，对于热震稳定性和蠕变，烧成温度＞铝微粉＞硅微粉；对于力学性能，铝微粉＞硅微粉＞烧成温度。复相陶瓷的最佳工艺参数为：氧化铝微粉11％，硅微粉3％，烧成温度1650℃，此条件下制备的刚玉—莫来石复相陶瓷窑具产品，其体密2.96g/cm~3，气孔率18.5％，抗折强度损失百分率为30％(1100℃水冷)，抗折强度损失百分率64.7％(1200℃水冷)，蠕变百分率0.99％。三因素对刚玉—莫来石复相陶瓷窑具的宏观性能和显微结构的影响主要表现在微裂纹、气孔的形状及大小、气孔率、残余α-Al_2O_3、莫来石的形态及其与颗粒之间的结合状态，通过调控上述显微结构特征，进而改善刚玉—莫来石复相陶瓷窑具的热震稳定性、高温强度及蠕变等性能。 3、在基质研究及复相陶瓷窑具工艺优化的基础上，探讨了硅溶胶、铝溶胶、硅铝溶胶及锆溶胶对复相陶瓷窑具性能及结构的影响机制。研究表明，硅胶、铝胶、硅铝胶及锆胶在高温下可原位形成纳米或亚微米氧化铝、莫来石、氧化锆粒子，适量引入溶胶有利于基质晶粒的细化和莫来石相的形成，并通过相变增韧、颗粒增韧等机制来改善复相陶瓷窑具的热震稳定性，但过多引入则会导致气孔增多而影响复相陶瓷的致密化。其中引入3％铝胶可使刚玉—莫来石复相陶瓷窑具的抗折强度损失百分率(1200℃水冷)由64.7％降至49％，抗热震性提高25％左右。 4、在上述研究基础上，开展了刚玉—莫来石复相陶瓷推板制品的产业化工作，批量生产出了抗热震性能优异、蠕变率低、耐磨性好、强度高的刚玉—莫来石复相陶瓷推板，该推板在荷重8公斤左右的1640℃推板窑中使用，寿命达4个月以上，在相同使用条件下，是德国西门子产品使用寿命的1.5倍以上，目前该产品已生产1000吨以上，实现了刚玉—莫来石复相陶瓷组成、结构及性能设计，满足了高温推板窑炉的使用要求。