镁铝尖晶石透明陶瓷的制备与性能研究

摘要

令狐采学

本文主要综述了镁铝尖晶石透明陶瓷制备的研究进展；分别介绍了镁铝尖晶石透明陶瓷的抗钢包渣侵蚀性能研究和透光性能研究，同时介绍了不同的镁铝尖晶石的制备，还有镁铝尖晶石在各领域的应用，并对其发展前景做了展望。

关键词：镁铝尖晶石；透明陶瓷；镁铝尖晶石性能；镁铝尖晶石制备

MgAl2O4 transparent ceramic preparation

and Properties Research Abstract

This paper reviewed the research progress in MgAl2O4 transparent ceramic preparation; then introduces the research study and transmittance properties of ladle slag resistance of mg Al spinel transparent ceramics erosion, also introduces the different preparation of magnesia alumina spinel, spinel and application in various fields, and has made the forecast to its development prospects. Keywords: Magnesia alumina spinel; Transparent ceramics; Magnesia alumina spinel properties; Preparation of magnesia alumina spinel

1 绪论

尖晶石是一组分子组成为AB2O4的等轴晶系的系列化合物。在所有的尖晶石类结构中，氧原子是等同的，以立方密堆积排列[1]在镁铝尖晶石(MgAl2O4)中，由于氧原子比阳离子大得多，铝和镁的金属离子分别按一定的规律插入在O2-按最密堆积形成的八面体和四面体空隙中，并保持电中性[2]。

由镁铝尖晶石粉末制备的透明多晶MgAl2O4既具有陶瓷的优点，如耐高温(2135℃)耐腐蚀，耐磨损、抗冲击高、硬度高、强度良好的电绝缘性能、线胀系数小等，又具有如蓝宝石晶体、石英玻璃的光学性能，在紫外可见光、红外光波段具有良好的透过率[3]。可用于制造导弹头罩透明装甲、电子元器件的绝缘骨架，红外波段窗口材细陶瓷器皿、光纤及光纤传感器，还可作为投影电视发光基片。

众所周知，粉体合成是制备光学透明陶瓷非常关键一环。因此，制备高纯、超细、化学均匀性和成分可控及低温烧结性的镁铝尖晶石粉末成为一个重要的研究课题。本文对近年来国内外的各种性能研究，制备方法及应用作一综述。

2镁铝尖晶石透明陶瓷性能研究

2.1 镁铝尖晶石的抗钢包渣侵蚀性能研究

镁铝尖晶石( MgO-Al2O3，MA) 是固溶体，它是MgO－Al2O3二元系统中唯一的化合物，其熔点高，热膨胀系数小，热导率低，抗热震性好，抗侵蚀能力强。因此，镁铝尖晶石质耐火材料通常用作水泥窑、钢包等的内衬材料．在影响尖晶石质材料使用寿命的各种因素中，尖晶石原料自身的抗渣侵蚀性占据重要的地位。

张艳奎[4]等分别以四种不同Al2O3含量的镁铝尖晶石粉S67、S70、S78、S90为原料，纸浆废液为结合剂，混匀后压制成型，经烘干和1 600 ℃ 3 h 热处理后，进行1 600 ℃保温3 h 的抗钢包渣侵蚀试验，并对侵蚀后的四种尖晶石试样进行显微结构分析，以比较其抗钢包渣侵蚀性能的差异。结果表明（图1，图2）：随着尖晶石原料中Al2O3含量的增加，抗渣侵蚀性能逐渐减弱，抗渣渗透性逐渐增强，但Al2O3质量分数增加到约90%( 即S90) 时其抗渗透反而有所减弱。SEM 分析显示（图3）：在尖晶石受渣侵蚀过程中生成的MgO－FeOx 固溶体和( Mg,Mn,Fe) ( Fe,Al) 2O4 复合尖晶石，能起到抑制渣侵蚀和渗透的作用；而渗透层中游离的Al2O3与渣中CaO 反应生成高熔点的CA6和CA2相，并以网络结构贯穿于尖晶石中间，有利于阻止渣的进一步渗透。综合考虑抗侵蚀性能和渗透

性能认为，尖晶石原料S78 抵抗钢包渣侵蚀能力较强。

图1 四种尖晶石圆柱试样渣侵蚀后的显微形貌

Fig.1 SEM photographs of four corroded spinel cylindrical specimens

图2 四种尖晶石试样侵蚀层的显微结构照片

Fig.4 SEM photographs of corrosion layer of four spinel specimens

图3 三种尖晶石试样渗透层的显微结构照片

Fig.3 SEM photographs of penetration layer of three spinel specimens 2.2 透明陶瓷透光性能研究

当光通过某一介质时，由于介质的吸收，散射和折射等效应而使其强度衰减，对于透明陶瓷而言，这种衰减除了与材料的化学组成有关外，主要是取决于材料的显微组织结构。若入射光的强度为I0，试样的厚度为t ，试样的反射率为r，则透过试样的光强度I 为[5]：

式中：，反射率很小时可忽略多次反射，则式( 1) 可表示为：

其中：为线收缩系数；Sim为散射系数；Sop为折射在不连续界面上( 如晶界、晶界层等) 的散射系数。从式( 2) 可知，要获得高的透光率，必须使α，Sim，Sop各个系数尽可能小或趋于零。因此，透明陶瓷应该没有或尽量减少象气孔和晶界等这样的吸收中心和散射中心，同时还应是单相的、由均质晶体组成，并具有较高的光洁度。所以陶瓷的晶界组织结构和残余气孔是影响透明的主要因素。大量研究表明：原料组成、制粉

方式、烧结条件、烧成气氛等都影响陶瓷的致密度，从而对陶瓷的透光性产生了较大的影响。

3 镁铝尖晶石透明陶瓷的制备

3.1水热合成法

水热合成法制备粉体是在密封压力容器中，以水作为溶媒，在高温高压的条件下制备粉体的方法[6]。

P. Krijgsman等人用Al(OH)3 和Mg(OH)2 作原料，经水热合成过程，在4MPa，523K条件下制备组成为Mg(OH)2和(AlOOH)45的复合粉体，粒径在2～10μm范围，后经一定温度煅烧可制备尖晶石粉。水热法制备单相粉体的优点：晶粒发育完整，粒径很小且分布均匀，团聚程度很轻，易得到合适的化学计量物和晶粒形态，省去高温煅烧和球磨，避免了杂质和结构缺陷，而且粉体的烧结性能好。用水热法制尖晶石粉应注意的问题是所用原料的可溶性问题。因为有些反应剂在水热反应发生前会发生结晶化。

3.2 共沉淀法

共沉淀法是在同一溶液中加入沉淀剂生成2种或2种以上的沉淀物，经热处理来制备粉末。

马亚鲁[7]以化学纯AlCl36H2O·MgCl26H2O 为原料,化学纯NH3H2O作沉淀剂，按摩尔比MgO∶Al2O3=1∶1.5配制成浓度为0.5mol/L的混合盐溶液，在快速搅拌下缓慢滴入氨水溶液，调节溶液的pH值为11～12，在65℃时效30min便可得到白色絮状凝胶，凝胶经水洗，离心分离后于85℃干燥，并在900℃保温1h的条件下煅烧，便得到镁铝尖晶石粉末。分析表明：凝胶中含有2Mg(OH)2·Al(OH)3和少量Al(OH)3AlOOH。在热分解过程中，500℃左右时2Mg(OH)2·Al(OH)3 分解生成尖晶石和MgO，同时AlOOH分解成γ-Al2O3，随着温度升高至850℃，MgO和γ-Al2O3 反应生成尖晶石，850℃左右前驱物几乎完全生成尖晶石。该法制备的粉末，成分均匀，纯度高，颗粒尺寸较小，平均在40nm