莫来石晶须改善耐火材料

无机材料测试技术

班级：09材料无非（5）班

姓名：潘俊阳

学号：200910210510

实验名称：原位合成莫来石晶须改善耐火材料指导教师：顾幸勇

景德镇陶瓷学院

1 前言

耐火材料一般是由多种不同的化学成分和矿物组成的非均质体。它的各种性质不仅取决于它的化学成分，而且更依赖于其中的化学组成，分布及各相的特性，即取决于制品的化学，矿物组成与结构。目前，我国耐热材料的生产与管理都不是很完善，尤其在原料的加工，合成及材质的选择等方面存在很大的缺陷，导致生产出来的产品不能满足节能降耗的标准。随着现代陶瓷行业的快速发展，特别是建筑陶瓷行业的蓬勃发展给耐火材料的要求有了更高的要求，从而促使了耐火材料的发展，因此，如何在耐热材料的加工、合成和选择上满足现代技术性能的要求，怎样提高耐火材料的使用性能以适应陶瓷行业的发展，是一个急需解决的问题。

2 文献综述

2.1 耐火材料的概述

耐火材料通常是指能耐1580℃以上温度的无机物材料。它们是修建窑炉、燃烧室和其他需耐高温的建筑材料。可抑制高温物体和低温物体的热辐射和传导热，对于高温物体可以保持70%的热量不损失。

2.2 耐火材料的作用

耐火材料的用途十分广泛，涉及到的行业也十分的多。我们熟知的陶瓷行业，机械、冶金、化工、电子、航空航天、国防等众多工业领域，例如刚玉质耐火材料，由于有耐高温，耐腐蚀，高强度等特性，故用作冶炼希贵金属，特种合金，玻璃拉丝，制作激光玻璃的坩埚及器皿；各种高温炉窑，如窑炉的内衬。又如莫来石质的耐火材料，由于其制品有优良的抗高温蠕变性能和耐酸碱，抗熔渣等性能广泛用于冶金工业的热风炉，建材玻璃窑焰顶，蓄热室，加热炉等窑具。2.3 耐火材料的种类

根据耐火材料的矿物组成与化学组成，将耐火材料分为以下几种

2.3.1 Al2O3—SiO2系耐火原料

（1）硅质和半硅质耐火原料

硅质，半硅质耐火原料是指以SiO2为主成分的天然矿物或人工合成原料，通常硅质原料的含量大于96%，如硅石，石英砂，脉石英，水晶和熔融石英等；半硅质耐火原料中的SiO2含量大于65%，如叶腊石，硅藻土，硅微粉等。（2）黏土质耐火原料

黏土是自然界中硅酸盐类岩石，如长石，微晶花岗岩，斑岩，片麻岩等经

过长时间风化作用而形成的一种土状矿物。它是由直径小于1微米的多种硅酸盐

Al2O3和结晶水。随着地质生成条件的矿物的混合体，其主要化学成分是SiO2

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不同，还含有少量的碱金属氧化物，碱土金属氧化物以及着色金属氧化物等。其特性是在湿态和细粉态下具有可塑性，加热后变硬和在足够的高温下玻璃化。（3）高铝质耐火原料

高铝质耐火原料是指Al2O3含量大于48%的Al2O3—SiO2系耐火原料，主要包括铝矾土、蓝晶石族矿物以及合成莫来石等，是生产传统耐火材料主体原料之一。

（4）氧化铝质耐火原料

氧化铝质耐火原料是指由电熔或烧结而制成的、以α-Al2O3为主晶相的、Al2O3含量较高的材料。通常可以把Al2O3含量大于94.5%的原料划归为氧化铝质耐火原料。

2.3.2 莫来石质耐火材料

莫来石质耐火材料科分为莫来石、莫来石-刚玉、刚玉-莫来石三类。相组成分别为：莫来石制品为莫来石单相结合，莫来石-刚玉制品为莫来石和刚玉的复相结合，主晶相为莫来石，次晶相为刚玉，刚玉-莫来石制品结合相主要为莫来石，主晶相为刚玉，也属复相结合范畴。从生产工艺分有烧结莫来石制品和熔铸莫来石制品两大类。

2.3.3 刚玉质耐火材料

刚玉质耐火材料是指Al2O3达90%以上，主晶相为α-Al2O3的硅酸铝质耐火材料，也称氧化铝耐火材料。由于它具有耐高温，硬度大，强度高，抗氧化，耐腐蚀，气密性好优良特性，因此具有广泛的用途。按生产工艺分有烧结刚玉制品和熔铸刚玉制品。

2.3.4 镁质耐火材料

镁质耐火材料是MgO含量在80%以上，以方镁石为主晶相的碱性耐火材料。品种有镁质制品和冶金镁砂两大类。镁质制品按照基质结合剂的不同，可分为镁砖，镁铝砖，镁铬砖，镁硅砖等种类。

2.3.5 锆英石质耐火材料

锆英石质耐火材料是以天然锆石英砂为原料制得的耐火制品。它属于酸性耐火材料，其抗渣性强，热膨胀率较小，热导率随温度升高而降低，荷中重软化点高，耐磨强度大，热震稳定性好，已成为各种工业领域的重要材料。近些年来，随着冶金工业中连铸和真空脱气技术的发展，此种耐火制品应用愈来愈广泛。2.3.6 碳质耐火材料

碳质特种耐火材料是以碳为主要成分，用石墨、焦炭和无烟煤为原料，以含碳的有机材料为结合剂制得的耐火材料。此种耐火材料不能通过固体扩散机制烧结，而是以化学反应生成的新相作为结合相而达到烧结。

2.3.7 非氧化物耐火材料

非氧化物材料往往兼具多种不同的功能，他们不仅熔点高、硬度大、化学稳定好，而且具有较高的导电性和导热性，有些还具有半导体的性质。如碳化物、氮化物、硼化物。在许多领域中获得了广泛应用。

2.4 莫来石晶须

晶须通常是指在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维，其直径常小，不含有通常材料中存在的缺陷（晶界、位错、空穴等），其原子排列高度有序，因而其强度接近于完整晶体的理论值。其机械强度等于邻接原子间力。晶须的高度取向结构不仅使其具有高强度、高模量和高伸长率，而且还具有电、光、磁、介电、导电、超导电性质。晶须的强度远高于其他短切纤维，主要用作复合材料的增强体，用于制造高强度复合材料。莫来石晶须具有耐高温、耐磨损、抗氧化、热膨胀系数较小、高温强度较大、抗热震性能较好及具有高温蠕变小等优异性能,因此,莫来石晶须是一种优异的陶瓷基复合材料用补强剂,其开发应用必将促进陶瓷基复合材料的研究和发展。目前,晶须增强增韧陶瓷材料主要有外部引入法和原位生成法。将制成的晶须由外部引入到基体材料中,虽然增韧补强效果显著,但存在晶须分散困难、分布均匀性差、难烧结以及对人体健康有害等缺点。而原位生成法是在基体中配入生成晶须的原料在高温处理过程中生长成晶须以达到增韧补强目的。

2.5 莫来石晶须的制备

（1）溶胶凝胶法

溶胶一凝胶法是一种很重要的制备莫来石晶须的方法。它是应用金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经过热处理形成氧化物或其他化合物固体的方法。这种技术具有许多优点:(l)制备过程温度低；

(2)增进了多元体系的化学均匀性；(3)反应过程易于控制；(4)化学计量准确，易于改性；(5)制备的材料组分均匀，产物的纯度高。国内外多家科研机构都采用该方法制备出莫来石晶须，但是普遍工艺繁琐不适宜工业化生产。

（2）矿物煅烧法

近年来许多科学家采用含有硅铝的矿物质通过混入成核剂来制备莫来石晶须。该方法具有成本低、易于工业化生产的特点，特别是有的研究采用工业废料为原料，降低了成本的同时也保护环境。如在1600℃以上锻烧高岭土矿（二氧化硅与莫来石的最低共熔点是1587℃)，从熔化物中合成了莫来石晶须。1400～1600℃分解陶瓷粘土矿在氧化铝颗粒表面得到了莫来石晶须，长度为50～200μm，直径为l～3μm。但是，这种方法生产工艺还不是很稳定，制备的晶须性能不