刚玉的生成温度
第05章 刚玉
刚玉是矿物名称，达到宝石级的刚玉包括红宝石(Ruby)和蓝宝 刚玉 石(Sapphire)两种，它们的英文名称来源于拉丁文ruber、sapphins， 意思是“红色”、“蓝色”。
古时候，人们所说的红宝石、蓝宝石是泛指红色、蓝色的宝石， 其中包括了许多矿物品种，因此十分混乱。例如英国女王王冠上的
红色宝石经矿物学家鉴定是红色尖晶 红色尖晶 石，其价值比红宝石低。 现在宝石学科上严格定义Ruby 一 词代表宝石级的红色刚玉，中文叫红 红 宝石，其他颜色的宝石级刚玉都称为 宝石 Sapphire，中文译为蓝宝石 蓝宝石。 蓝宝石
红、蓝宝石的硬度在自然界所有矿物中仅次于金刚石，其价 格也基本是第二位。 第一节 基本特征
第二节
红、蓝宝石的评价
颜色、 评价原则类似于钻石，也是用“4C”原则，即颜色、净度、切 颜色 净度、 克拉重，但是没有钻石那样统一的、详细的等级标准。 工和克拉重 克拉重 颜色：这是红、蓝宝石评价时最重要的因素，对其价格的确 一.颜色 颜色 定约占一半的份量。 观察颜色时首先要用软布清洁宝石，然后在黑色、白色等不 同的背景上观察。要变换光源类型(阳光、白光和荧光灯下效果不 ( 同)，调节光源照射方式(直射与斜射光)，并且从不同角度全面观 察，才能得出正确的结论。 评价颜色等级时主要看：正、浓、阳、匀四个方面。 正 1.正：指宝石颜色的纯度，若混有其他色调，就不纯正。 正 红宝石颜色纯度类型： 1）纯红色，最高档的称为“鸽血红”仅产于缅甸。 “鸽血红”
2）红色微带紫色 3）红色微带棕色 4）紫红色 5）棕红色 蓝宝石颜色纯度类型： 1）纯蓝色，最高档是“矢车菊 蓝”，深蓝之中微带紫色，产于克 什米尔。 2）蓝色微带紫 3）蓝色微带绿 4）紫蓝色 5）绿蓝色
刚玉莫来石陶瓷高温性能研究
氧化铝粉、刚玉为主要原料制备刚玉莫来石质陶瓷，研究刚玉莫来石陶瓷的高温性能，包括不同温度下的抗折强度、高温弹性模量、高温蠕变率等性能。
试验结果显示，烧成温度在1550℃时，陶瓷试样莫来石晶相生长较好，大部分呈现长柱状及针状，高温强度随温度的升高先上升后下降，在1100℃左右达到最大值；高温弹性模量也呈现相同的趋势，其高温强度与高温弹性模量性能呈正相关关系。
高温强度；高温弹性模量1前言刚玉莫来石复相陶瓷材料具有莫来石相熔点高、热膨胀系数低、强度高、抗蠕变性及抗热震性能好的特点，同时具有刚玉相弹性高、耐磨、抗侵蚀抗氧化的特点，且刚玉莫来石原料来源丰富，因此被认为是最有发展前途的高温抗热震陶瓷材料[1]，特别是在高温陶瓷窑具行业，例如用于辊道窑高温烧成区的陶瓷辊棒、推板窑的窑具等都大多采用刚玉莫来石质陶瓷。
为了提高生产效率、降低能耗，辊道窑越来越宽，陶瓷产品规格越来越大，这就对陶瓷窑具的要求越来越高，尤其是陶瓷的高温强度及抗热震性能。
2实验过程采用高纯氧化铝、茂名高岭土、刚玉作为原料，设计配方：高岭土15~20%、氧化铝30~40%、刚玉40~50%。
对配方料球磨2h ，料球水比为1：1.5：0.8，干燥后过100目筛。
加水、粘结剂进行二次混料并陈腐24h ，挤压成Ф50mm×600mm 圆筒状并烘干。
在高温井式电炉中烧成，烧成温度1500℃和1550℃，保温4h。
采用高温抗折仪对试样进行高温强度测试（测试温度由900~1350℃，每50℃段测试一次），高温弹性模量蠕变仪测试试样的高温弹性模量（测试温度由900~朱志超，梁章发，方仁德，杨华亮（广东金刚新材料有限公司，佛山528200）研究与探讨Research &Discussion1350℃，每50℃段测试一次）及蠕变率（测试温度1300℃）。
用日本理学X 射线衍射仪对试样进行物相测试，SEM对试样微观结构进行测试。
3结果与讨论图1显示的是1500℃和1550℃烧成温度的陶瓷试样的XRD 图谱，从图中可以看出试样主要由莫来石相和刚玉相组成，其中在2θ为26.3°（d 值为5.38）和16.4°（d 值为3.39）为莫来石相的衍射峰，在2θ为35.2°（d 值为2.55）和43.4°（d 值为2.08）为刚玉相的衍射峰。
锆刚玉
锆刚玉（ZA）工艺流程原理生成机理在锆刚玉中，主要矿物相是ａ－Ａｌ２Ｏ３和Ａｌ２Ｏ３－ＺｒＯ２形成的共晶体（见Ａｌ２Ｏ３－ＺｒＯ２系状态图）。
从图中可以看到：Ａｌ２Ｏ３的熔点为２０５０℃，ＺｒＯ２的熔点为２６９０℃。
在ＺｒＯ２含量为４２.６％、温度为１７１０℃时是Ａｌ２Ｏ３和ＺｒＯ２共晶点。
在组成确定后，当温度在相应组成液相线以上时，改变其温度不会导致新相的出现。
当温度降到相应组分液相线上时，晶相开始析出，随着晶相的析出，液相组成沿着液相线向共熔点方向变化。
当温度达到共熔点时，按共熔点组成中的比例同时析出晶相Ａｌ２Ｏ３和ＺｒＯ２共熔相。
当锆刚玉熔体冷却时，就开始产生晶体。
晶体尺寸一般通过控制晶体成长速度，即采取急冷（过冷）的方法来实现。
为确保锆刚玉的质量，除合理选择冶炼参数及工艺、冷却工艺及加工工艺外，选择合适的添加剂，降低锆刚玉中ＳｉＯ２含量，使Ａｌ２Ｏ３和ＺｒＯ２共晶且结构均匀等亦是锆刚玉生产的关键。
冶炼工艺锆刚玉的冶炼一般是在倾倒炉和流放炉上进行。
其工艺和棕刚玉冶炼大致相似，但由于炉料中ＳｉＯ２及其它杂质的含量较高，炉液粘度增加，操作难度较大。
再者冶炼过程一般采用较薄层作业，便于杂质的挥发。
冷却工艺合理的冷却工艺是锆刚玉获得微晶结构的关键。
冷却方法的特征是将熔液迅速冷凝后，再自然冷却，放慢冷却速度的原因被看作是“裂纹合拢”或回火过程。
国外常见的几种冷却方法如下，详见表１制造锆刚玉时几种常见的冷却方法不同炉料制取的锆刚玉性能国内外锆刚玉性能对比美国诺顿公司日研磨材中国第七砂轮厂ZS ZF AZ—73 设计指标1 2 3Al2O3% 74.98 75.14 71.40 ＞68 76.16 74.13 74.22ZrO2% 23.6 23.6 26.90 23～2820.35 21.93 22.03SiO2% 0.20 0.13 0.20 ＜1 0.6 0.95 0.90 TiO2% 0.40 0.35 2.3 1.69 2.12 1.97 Fe2O3% 0.09 0.07 0.10 ＜0.4 0.18 0.51 0.46 CaO% 0.60 0.57 0.37 0.24 0.30 MgO% 0.15 0.10 0.34 0.12 0.17 密度(g/cm3) 4.31 4.31 4.27 4.32 4.31 晶体尺寸(μm)平均１７平均１７20～40 ＜40 平均42 平均19 平均28 磁性物（%）0.2 0.2 ＜0.3 ＜0.3 ＜0.3 ＜0.3 PF值7 7 9.3 8.89 8.93Al2O3结构 a a a a a a 12#抗压强度（kg）44.9 43.7 ＞40 41.8 40.3 41.2 １２＃韧性（％）97.25 97.31 96.17 95.16 努普硬度（HK∶kg/mm2) 1104 1466 1206 1484 1707 维氏硬度（HV·kg/mm2) 1359 915 1392 1563 1728 熔点（℃）1850 1850 1840 ＞1790 ＞1790 热膨胀系数（１／℃） 2.52×10-6 2.52×10-6 2.1×10-6 2.1×10-6 2.1×10-6热容量（kJ/kg·k）0.92 0.92 0.92 0.924 0.954 ３１５℃热导系数（w/(m·℃)）17.3 17.3 9.46 4.67。
氧化铝晶型及相变温度
Al2O3晶型转变Al2O3晶型转变(trans for mation of Al2O3)Al2O3各晶型之间发生的转变。
Al2O3的晶型有：α、γ、η、δ、θ、k、x等。
外界条件改变时，晶型会发生转变。
在Al2O3这些变体中，只有α-Al2O3(刚玉)是稳定的，其它晶型都是不稳定的，加热时都将转变成α-Al2O3。
因为α-Al2O3中的氧已是最紧密堆集。
α-Al2O3密度为3.99g／cm3。
除刚玉外，常见的Al2O3晶型为γ-Al2O3。
γ-Al2O3具有尖晶石型结构。
但在其结构中，某些四面体的空隙没有被充填，因而γ-Al2O3的密度较刚玉小。
γ-Al2O3的密度为3.65g／cm3。
各种Al(OH)3加热脱水时，约在450℃形成γ-Al2O3。
γ-Al2O3加热到较高温度转变为刚玉。
但这种转变要在1000℃以上时，转化速度才比较大。
氧化铝的其它一些不稳定晶型也都是Al(OH)3加热脱水时，在不同条件下形成的。
ρ-Al2O3应为无定形态，但也有人认为它是介于无定形与晶态之间的过渡态。
由于ρ-Al2O3是Al2O3各种形态中唯一在常温下能自发水化的形态，可以作为耐火材料浇注料的胶结剂，因此近年来受到了重视。
β-Al2O3(密度3.31g／cm3)不是纯Al2O3，不属于Al2O3一元系，其化学式为Na2O•11Al2O3。
由于β-Al2O3开始发现时忽视了Na2O的存在，而被误认为是Al2O3的一种变体，采用了β-Al2O3这一名称，并沿用至今。
当刚玉处于高温、碱金属气氛下，即可转变成β-Al2O3。
β-Al2O3在高温下也会逸出碱金属氧化物而转化为刚玉。
氧化铝含有元素铝和氧。
若将铝矾土原料经过化学处理，除去硅、铁、钛等的氧化物而制得的产物是纯度很高的氧化铝原料，Al₂O₃含量一般在99%以上。
矿相是由40%～76%的γ- Al₂O₃和24%～60%的α- Al₂O₃组成。
γ- Al₂O₃于950～1200℃可转变为α- Al₂O₃（刚玉），同时发生显著的体积收缩。
宝石热处理
宝石的热处理热处理法用的最多的是在刚玉中，因为大部分的刚玉需要热处理来改善，国际市场中的红宝石，蓝宝石有90%以上都经过了处理。
一、刚玉类宝石（红、蓝宝石）（1）热处理刚玉的改色机理1.含铁离子刚玉从无色、浅黄绿色到黄色、橙色的互变在蓝宝石（Al2O3）中的铁，常以二价态Fe2+或三价态Fe3+存在。
在高温晶体生长的条件下，铁一般以Fe2+或FeO出现。
当这样一种Fe2+在取代刚玉中的Al3+时，为保持晶体电中性，每两个Fe2+的存在就会出现一个氧空位，这样可以产生几乎无色的刚玉晶体、或者略带一点绿色调。
其组成为：（1-x）Al2O3+2xFeO→Al2-2x Fe2x O3-x在高温下，气体中的氧可以通过扩散将Fe2+氧化成Fe3+4Fe2+ +O2→4Fe3++2O2-在刚玉蓝宝石中，这时没有氧空位了，相当于Al2O3中存在着Fe2O3杂质，电荷是平衡的，依Fe3+浓度的不同，宝石可以出现浅到中等的黄色。
若在还原气氛中加热，比如在H2或CO的条件下，就会产生相反的作用Fe2O3+ H2→2FeO+ H2O或Fe2O3+ CO→2FeO+ CO2如果更强烈的加热，Fe2O3可能会聚集形成多分子颗粒，从而产生更深的黄到褐的颜色。
当铁离子以二价的形式存在于刚玉中时，宝石是无色略带一点绿色调。
在高温下，通过气体扩散Fe2+可以氧化成Fe3+，随Fe3+含量的多少，宝石可以出现不同程度的黄色。
相反当有还原气氛存在时Fe3+又可以转为Fe2+，宝石又可恢复原来的颜色，但较氧化反应难进行。
氧化成Fe3+的反应甚至在有钛存在时才可能。
当宝石中铁的含量远远超过钛的含量时，铁离子之间的电荷转移占主导地位，宝石仍可呈现出黄色，但含钛所形成的黄色比不含钛所形成的黄色暗得多[1]。
当铁离子和铬离子共存，铁为二价时，宝石为粉色，经氧化加热铁变为三价，宝石成橘红色。
这些热处理的温度很高，常接近刚玉熔点（2050℃）的温度，即1500℃以上。
白刚玉各项指标
白刚玉以工业氧化铝粉为原料，于电弧中经 2000 度以上高温熔炼后冷却制成，经粉碎 整形， 磁选去铁，筛分成多种粒度，其质地致密、硬度高，粒形成尖角状，适用于制造陶瓷、树脂固 结磨具以及研磨、抛光、喷砂、精密铸造（精铸专用刚玉）等，还可用于制造高级耐火材料。
白刚玉理化指标：
用途
磨料 磨具
规格
12#—80#
段砂
0-1mm 1-3mm 3-5mm 5-8mm 8-12mm
≥99.0
≤0.5
—
细粉
180#—0 200#-0 320#-0
≥98.5
注：F 为固结磨具及喷砂用规格 W 为微粉，320#即 W40 白刚玉物理性能指标：
≤0.3
项目 颜色 晶形 硬度（莫氏） 熔点（℃） 最高使用温度（℃） 真密度（g/cm3） 线膨胀系数（0—1600℃）
指标 纯白色 三方晶系 ≥9.0 2250 1≤0.001
F
90#—150#
180#—240#
W
1#-63#
Al2O3 ≥99.0 ≥98.5 ≥98.2 ≥97.5
主要化学成分%
Na2O SiO2
≤0.5 ≤0.6 ≤0.7 ≤0.8
—
— ≤1.0
CaO ≤0.4 ≤0.4 ≤0.5
磁性物%
≤0.003 ≤0.003 ≤0.002 ≤0.001
耐火 材料
氧化铝晶型及相变温度
AI2O3晶型转变AI2O3 晶型转变(trans for mation of AI2O3)AI2O3各晶型之间发生的转变。
AI2O3的晶型有：a、丫、n、3、B、k、x等。
外界条件改变时，晶型会发生转变。
在AI2O3这些变体中，只有a -AI2O3(刚玉)是稳定的，其它晶型都是不稳定的，加热时都将转变成 a -AI2O3o因为a -AI2O3中的氧已是最紧密堆集。
a -AI2O3密度为 3.99g/cm3。
除刚玉外，常见的AI2O3晶型为丫-AI2O3。
丫-AI2O3具有尖晶石型结构。
但在其结构中，某些四面体的空隙没有被充填，因而丫-AI2O3的密度较刚玉小。
丫-AI2O3的密度为3.65g/cm3。
各种AI(OH)3加热脱水时，约在450 C形成丫-AI2O3o 丫-AI2O3加热到较高温度转变为刚玉。
但这种转变要在1000 C以上时，转化速度才比较大。
氧化铝的其它一些不稳定晶型也都是AI(OH)3加热脱水时，在不同条件下形成的。
P -AI2O3应为无定形态，但也有人认为它是介于无定形与晶态之间的过渡态。
由于p -AI2O3是AI2O3各种形态中唯一在常温下能自发水化的形态，可以作为耐火材料浇注料的胶结剂，因此近年来受到了重视。
3 -AI2O3(密度3.31g/ cm3)不是纯AI2O3，不属于AI2O3 一元系，其化学式为Na2O?11AI2O3。
由于3 -AI2O3开始发现时忽视了Na2O的存在，而被误认为是AI2O3的一种变体，采用了3 -AI2O3这一名称，并沿用至今。
当刚玉处于高温、碱金属气氛下，即可转变成 3 -AI2O3。
3 -AI2O3在高温下也会逸出碱金属氧化物而转化为刚玉。
氧化铝含有元素铝和氧。
若将铝矶土原料经过化学处理，除去硅、铁、钛等的氧化物而制得的产物是纯度很高的氧化铝原料，AI?O?含量一般在99%以上。
矿相是由40%〜76%的Y Al ?O?和24%〜60%的a- AI?O?组成。
二氧化锆
二氧化锆（化学式：ZrO2）是锆的主要氧化物，通常状况下为白色无臭无味晶体，难溶于水、盐酸和稀硫酸。
一般常含有少量的二氧化铪。
化学性质不活泼，但高熔点、高电阻率、高折射率和低热膨胀系数的性质，使它成为重要的耐高温材料、陶瓷绝缘材料和陶瓷遮光剂。
能带间隙大约为5-7eV。
别名.：锆酸酐，氧化锆(Ⅳ) Zirconim(Ⅳ) oxide密度5.89克/立方厘米熔点约2700℃。
沸点约5000℃分子式(Formula)： ZrO2分子量(Molecular Weight)： 123.22CAS No.： 1314-23-4Cas号.：【1314-23-4】Beilstein 号折光率2.2晶型：低温时为单斜晶系，高温时为四方晶型，更高温为立方晶型化学性质化学式ZrO2。
存在于天然的二氧化锆矿中。
二氧化锆为白色晶体；由灼烧二氧化锆水合物或挥发性含氧酸锆盐所得的二氧化锆为白色粉末，不溶于水；经由轻度灼烧所得的二氧化锆，比较容易被无机酸溶解；强热灼烧所得的二氧化锆只溶于浓硫酸和氢氟酸；经过熔融重结晶的二氧化锆只与氢氟酸作用。
二氧化锆是一种两性氧化物，与碱白热煤气灯罩、搪瓷、白色玻璃、耐火坩埚等的制造。
X射线照相。
研磨材料。
与钇一起用以制造红外线光谱仪中的光源灯,厚膜电路电容材料，压电晶体换能器配方。
纳米级氧化锆用作抛光剂、磨粒、压电陶瓷、精密陶瓷、陶瓷釉料和高温颜料的基质材料。
用于制金属锆和锆化合物、制耐火砖和坩锅、高频陶瓷、研磨材料、陶瓷颜料和锆酸盐等主要用于压电陶瓷制品、日用陶瓷、耐火材料及贵重金属熔炼用的锆砖、锆管、坩埚等。
也用于生产钢及有色金属、光学玻璃和二氧化锆纤维。
还用于陶瓷颜料、静电涂料及烤漆。
用于环氧树脂中可增加耐热盐水的腐蚀。
氧化锆纤维是一种多晶质耐火纤维材料。
相对密度5.6～6.9。
化学稳定性及抗氧化性能好，热导率小，具有抗冲击性、可烧结性等。
由于ZrO2物质本身的高熔点、不氧化和其他高温优良特性，使得ZrO2纤维具有比氧化铝纤维、莫来石纤维、硅酸铝纤维等其他耐火纤维品种更高的使用温度。
刚玉质矿物原料
由于杂质没有被完全除去，杂质含量较高，呈现特有的棕色，故 称棕刚玉。
电熔亚白刚玉
背景：
棕刚玉杂质含量高，会严重影响耐火制品 性能，同时工业氧化铝价格昂贵，来源匮乏，耐 火材料需要的氧化铝难以得到满足。
原理：冶炼亚白刚玉与冶炼棕刚玉不同，冶炼棕 刚 玉 主 要 是 将 矾 土 中 的 SiO2 和 Fe2O3 还 原 成 Si 和 Fe分离出去。
3）铁屑-稀释剂因为我国矾土中氧化铁含量低，按高铝矾土中的 SiO2 多少引入。
反应方程式
1) SiO2+CSi+CO
2) Fe2O3+CFe+CO
3)TiO2+C Ti+CO
4) TiO2+C TiC+CO
5)SiO2+Fe+CFeSi+CO
6) TiO2+Fe+CFe3Ti+CO
7)Na2O+CNa+CO
3.晶体结构：
三方晶系
刚玉型结构： O2- 呈 六 方 最 紧 密堆积构成氧 离子层，Al3+在 两层 O2-之间， 充 填 2/3 的 八 面 体空隙。
b0 a0
Al
O
4.形貌特征
晶体常呈完好的腰鼓状、桶状或短柱状。晶面上 常见相交的几组条纹。
通常呈 蓝灰、黄灰色，含杂质可呈各种颜色：
红宝石：含Cr，红色；蓝宝石：含Ti 和Fe2+，蓝色； 黑星石：含Fe2+、Fe3+， 黑色、透明；白宝石：纯净 无色透明的晶体；含Co、V、Ni呈绿色；含Ni呈黄色； 含Fe3+、Mn2+呈玫瑰红色。
方法：用高铝矾土熟料、碳素材料、铁屑三种原料，经配料混 合加入电弧炉中，经过高温熔化和杂质还原后冷却而结晶成棕 褐色熔块。
烧成温度对刚玉-尖晶石浇注料性能与显微结构的影响
2020年12月耐火与石灰第45卷第6期烧成温度对刚玉-尖晶石浇注料性能与显微结构的影响谢国锋崔庆阳侯耀仲郭东方(洛阳利尔耐火材料有限公司,洛阳471000)摘要:以板状刚玉、白刚玉、烧结镁铝尖晶石、活性α-Al2O3微粉和铝酸钙水泥为主要原料,制备了刚玉-尖晶石浇注料,研究了不同烧成温度对刚玉-尖晶石浇注料物理性能与显微结构的影响。
结果表明:经1400℃烧成后,开始形成部分CA6晶体,随着烧成温度的升高,CA6晶体大量生成并发育长大,穿插在气孔中形成连续网络结构,试样结构逐渐变得致密,基质结合得以加强,试样的断裂方式逐渐由沿晶断裂转变为穿晶断裂,其常温强度与高温强度不断提高,热震稳定性得到改善。
1550℃烧后的试样其高温强度最高,热震稳定性最佳。
1400~1450℃以CA6晶体的生成为主,试样烧后表现为膨胀;1500~1550℃以烧结作用为主,试样烧后表现为收缩,1550℃烧后收缩率较大,达到0.25%。
关键词:刚玉-尖晶石浇注料;烧成温度;CA6晶体;物理性能中图分类号:TQ175.732文献标识码:A文章编号:1673-7792(2020)06-0001-04 Effect of firing temperature on properties and microstructureof corundum⁃spinel castableXie Guofeng Cui Qingyang Hou Yaozhong Guo Dongfang(LuoYang LIER Refractories Co.,Ltd.,Luoyang471000,China) Abstract:The corundum⁃spinel castable was prepared by using tabular alumina,white fused alumina,sintered magnesia⁃alumina spinel,activeα-Al2O3micropowder and calcium aluminate cement as main raw materials.The effects of different firing temperature on the physical properties and microstructure of corundum⁃spinel castable were studied.The results show that part of CA6 crystals begin to form after firing at1400℃.With the increase of firing temperature,a large number of CA6crystals form and grow up,interspersing in the pores to form a continuous network structure. The continuous network structure makes the sample become dense and strengthens the combination of the matrix,and makes the fracture mode of the sample gradually change from intergranular fracture to transgranular fracture,so that CMOR,HMOR and the thermal shock stability of the sample become continuously improved.After firing at1550℃,the HMOR of the sample is the highest and the thermal shock stability is the best.After firing at1400℃to1450℃,the formation of CA6crystal is dominant,and the sample shows expansion after firing;after firing at1500℃to1550℃,the sintering is dominant,and the sample shows shrinkage after firing.After firing at1550℃,the shrinkage of the sample reached0.25%.Key words:Corundum⁃spinel castable;Firing temperature;CA6crystal;Physical properties收稿日期:2020-04-23作者简介:谢国锋(1990-),男,硕士研究生REFRACTORIES&LIME Dec.2020Vol.45No.6石和六铝酸钙(CA6)3种高熔点物相,形成了优良的结合体系,从而使得刚玉-尖晶石浇注料具有良好的高温强度、抗侵蚀性能与热震稳定性,已被广泛应用于钢包内衬、透气元件、RH炉内衬等部位[1-3]。
高铝瓷组成、结构与力学性能随烧成温度的演变
第42卷第9期2023年9月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.9September,2023高铝瓷组成㊁结构与力学性能随烧成温度的演变袁志勇1,张学日1,李㊀凯2,许承铭1,吴佳莉1,廖仓冬1,郑㊀猛1,吴英豪1,阎法强1(1.芦溪高压电瓷电气研究院有限公司,萍乡㊀337200;2.中国建材检验认证集团淄博有限公司,淄博㊀255086)摘要:在配方和原料一定的情况下,高铝瓷的组成㊁结构与性能在很大程度上取决于烧成制度㊂本文系统研究了高铝瓷物相组成㊁微观结构和力学性能随烧成温度的变化,并分析了原因㊂结果表明,随着烧成温度从1160ħ升高到1310ħ,瓷件中发生熔解的刚玉和石英颗粒增加,内部刚玉相含量从37.85%(质量分数,下同)下降到35.02%,石英相含量从7.60%下降到1.94%,熔解的刚玉和部分石英以莫来石形式析出,瓷件内部莫来石含量从7.49%升高到11.41%㊂随着烧成温度从1160ħ升高到1280ħ,瓷件内部玻璃相含量从47.06%提高到51.63%,瓷件真气孔率从12.50%下降到5.59%,但是当烧成温度达到1310ħ时,瓷件过烧,内部真气孔率增加到6.99%㊂当烧成温度为1160ħ时,瓷件生烧,存在开口气孔,瓷件弯曲强度仅151MPa;当烧成温度增加到1190ħ,弯曲强度达最大值181MPa;随着烧成温度继续升高到1310ħ,瓷件内部总晶相含量从52.94%下降到48.37%,瓷件内部起弥散增强作用的晶相颗粒减少,瓷件强度从181MPa 逐渐降至158MPa㊂这些研究结果对优化高铝瓷的配方㊁烧成制度及材料性能都有重要的参考意义㊂关键词:高铝瓷;烧成温度;物相组成;微观结构;力学性能;弥散增强中图分类号:TQ174㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)09-3315-09Evolution of Composition ,Structure and Mechanical Properties of High Alumina Porcelain with Sintering TemperatureYUAN Zhiyong 1,ZHANG Xueri 1,LI Kai 2,XU Chengming 1,WU Jiali 1,LIAO Cangdong 1,ZHENG Meng 1,WU Yinghao 1,YAN Faqiang 1(1.Luxi High Voltage Insulator and Electricity Research Institute Co.,Ltd.,Pingxiang 337200,China;2.China Building Material Test &Certification Group Zibo Co.,Ltd.,Zibo 255086,China)收稿日期:2023-04-27;修订日期:2023-06-28作者简介:袁志勇(1986 ),男,博士,高级工程师㊂主要从事电力装备用陶瓷绝缘材料的研究㊂E-mail:yuanzy_1986@ Abstract :When the formula and raw materials are fixed,the composition,structure and properties of high alumina porcelain largely depend on the firing system.Changes of phase composition,microstructure and mechanical properties of high alumina porcelain with sintering temperature were systematically studied,and the reasons were analyzed.The results show that with the increase of sintering temperature from 1160ħto 1310ħ,the amount of fused corundum and quartz particles in porcelain increases,the content of corundum phase decreases from 37.85%(mass fraction,the same below)to 35.02%,and the content of quartz phase decreases from 7.60%to 1.94%.The fused corundum and some quartz precipitate in the form of mullite,and the content of mullite phase in porcelain increases from 7.49%to 11.41%.As sintering temperature increases from 1160ħto 1280ħ,the content of glass phase in porcelain increases from 47.06%to 51.63%,while the true porosity of porcelain decreases from 12.50%to 5.59%.However,when sintering temperature reaches 1310ħ,the porcelain are overburning,therefore the true porosity increases to 6.99%.When sintering temperature is 1160ħ,the porcelain is undersintering with open pores,and the bending strength is only 151MPa.When sintering temperature increases to 1190ħ,the bending strength reaches a maximum value of 181MPa.As sintering temperature continues to rise to 1310ħ,the total content of crystalline phases in pocelain decreases from 52.94%to48.37%,indicating that the crystalline particles which play a dispersion enhancing role in porcelain decrease,thus the strength of porcelain gradually decreases from 181MPa to 158MPa.These research results have important reference3316㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷significance for optimizing the formulation,firing system and material properties of high alumina porcelain.Key words:high alumina porcelain;sintering temperature;phase composition;microstructure;mechanical property;dispersion strengthening0㊀引㊀言瓷绝缘子自1850年被Werner Von Siemens首次应用于输电线路的建设上,至今已经有170余年历史[1]㊂由于具有机械强度高㊁化学性能稳定㊁绝缘性能好㊁耐腐蚀性能好等众多优点,瓷绝缘子已成为电力输配送系统和铁路电网系统中使用最广泛的绝缘材料之一[2-3]㊂随着电力输配送系统从普通的35kV及以下电压等级发展到1100kV特高压电压等级,电力工程对瓷绝缘子的强度提出了越来越高的要求,瓷绝缘子材料经历了从低强度的长石瓷到中强度的石英瓷,最后到高强度㊁超高强度的铝质瓷的发展过程[4]㊂铝质瓷属于黏土-长石-高铝原料三元系统,通过在坯料配方中直接加入含刚玉晶体的高铝原料,使结构中出现尽可能多的刚玉晶相,最终形成以刚玉为主晶相的瓷件㊂与石英(方石英)㊁莫来石相比,刚玉具有更高的弹性模量和强度,而刚玉晶体的含量是决定铝质瓷强度的主要因素,因此提高铝质瓷中的刚玉相含量也就提高了瓷件的强度[5-6]㊂近年来,国内外有关高强度电瓷材料的研究集中在以铝质瓷为基础来提高瓷件性能上[6-9]㊂Montoya等[8]研究了TiO2含量对高铝质瓷(即铝含量较高的铝质瓷)显微结构和强度的影响,指出TiO2会降低熔体的黏度,从而促进二次莫来石的形核和长大,同时提高烧结体的致密度,最终提高瓷件的弯曲强度㊂通过研究不同氧化铝含量瓷件[9]的性能可知,致密颗粒和细长针状莫来石的均匀分布是瓷件具有最好电气强度的特征显微结构㊂烧成是高铝瓷制备过程中极其重要的一个工艺环节,在配方和原料一定的情况下,高铝瓷的组成㊁结构与性能在很大程度上取决于烧成制度㊂通过研究烧成温度对高强度煅烧铝矾土瓷微观结构的影响[10]可知,当烧成温度为1370ħ时,瓷件内部莫来石相含量达最大值,瓷件达最佳烧成状态,机械强度达最大值㊂但是目前有关高铝瓷物相组成㊁微观结构㊁力学性能随烧成温度演变的研究较少㊂本文将同一配方样品在不同温度下烧成,系统研究高铝瓷的物相组成㊁微观结构和力学性能随烧成温度的变化趋势,分析相关机理,从而为高铝瓷的配方确定㊁烧成制度及材料性能优化提供理论支撑㊂1㊀实㊀验1.1㊀试剂与材料试验用高铝瓷的配方如表1所示㊂氧化铝为山东盛日奥鹏环保科技有限公司生产的高温煅烧氧化铝粉,长石为湖南岳阳洞庭非金属矿有限公司生产的钾长石,黏土A㊁B㊁C和D分别由江门市友顺陶瓷原料有限公司㊁吉林市乾丰陶瓷材料有限公司㊁河北沙河市禄峰矿产有限公司和辽宁省法库县非金属综合矿提供㊂原料的主要化学组成如表2所示,高铝瓷配方的主要化学组成如表3所示㊂表1㊀高铝瓷的配方Table1㊀Formulation of high alumina porcelainRaw material Aluminum Feldspar Clay A Clay B Clay C Clay D Mass fraction/%2717630614表2㊀原料的主要化学组成Table2㊀Main chemical composition of raw materialsRaw material Mass fraction/%SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaO MgO K2O Na2O LOI Aluminum 99.270.020.010.030.080.060.240.18 Feldspar69.3716.610.150.060.330.0510.41 2.610.32Clay A51.7630.67 1.370.450.090.26 1.390.1113.83 Clay B55.9328.07 1.74 1.110.170.440.740.1511.13 Clay C51.5445.030.74 1.010.430.150.230.090.10Clay D64.0422.49 1.320.220.590.25 4.310.43 6.16第9期袁志勇等:高铝瓷组成㊁结构与力学性能随烧成温度的演变3317㊀表3㊀高铝瓷配方的主要化学组成Table 3㊀Main chemical composition formulation of high alumina porcelain Composition SiO 2Al 2O 3Fe 2O 3TiO 2CaO MgO K 2O Na 2O LOIMass fraction /%43.1446.380.860.480.230.28 2.920.55 4.831.2㊀制备工艺按表1的配方称取原料,经球磨㊁过筛㊁除铁㊁榨泥㊁陈腐㊁真空练泥后,挤制成ϕ24mm ˑ150mm 的试条㊂干燥后的试条在电炉中烧成,先以3ħ/min 从室温升到300ħ,保温0.5h,接着以3ħ/min 升到960ħ后保温1h,再以4ħ/min 升到最终温度(1160㊁1190㊁1220㊁1250㊁1280㊁1310ħ)后保温1h,最后随炉冷却至室温,完成整个烧成过程㊂1.3㊀分析和测试通过测定烧成前后的长度来计算试条的烧成收缩率;烧成后试条的染料渗透性试验(液体吸收)按照‘陶瓷和玻璃绝缘材料第2部分:试验方法“(GB /T 8411.2 2008)进行;不同烧成温度下试条体积密度利用阿基米德排水法测试,每个烧成温度下试条体积密度测试结果取3块小瓷块体积密度的平均值㊂测试完体积密度的小瓷块研磨成细瓷粉,使之能完全通过孔径为63μm 的试验筛㊂细瓷粉的化学成分采用X 射线荧光光谱仪(德国布鲁克,S8TIGER 型)进行测试;细瓷粉的真密度采用全自动真密度分析仪(美国康塔仪器公司,Uatryc 1200e)进行测试;细瓷粉的物相成分采用X 射线衍射仪(德国布鲁克,D8Advance 型)进行测试,试验条件为:Cu K α(λ=0.15406nm),扫描速度2(ʎ)/min,加速电压40kV,电流40mA,扫描范围5ʎ~70ʎ㊂烧成后试条的三点弯曲强度(以下简称弯曲强度)的测试按照‘陶瓷和玻璃绝缘材料第2部分:试验方法“(GB /T 8411.2 2008)进行㊂测试弯曲强度和弹性模量后的试条,利用切片机切割出约5mm 厚的圆片,对圆片的一个面进行研磨㊁抛光处理㊂抛光后的圆片用水洗干净,用质量分数为5%的氢氟酸腐蚀5min,然后用流动的清水冲洗干净,接着放入超声波清洗机中超声清洗不少于10min,以去除圆片表面残留的氢氟酸,最后将圆片放入(100ʃ5)ħ的恒温干燥箱中烘干㊂抛光样和腐蚀样品的微观形貌利用扫描电子显微镜(荷兰飞纳,Phenom Prox 型)观察㊂2㊀结果与讨论2.1㊀物相组成分析图1㊀不同烧成温度下高铝瓷的XRD 谱Fig.1㊀XRD patterns of high alumina porcelain sintered at different temperatures 不同烧成温度下高铝瓷的XRD 谱如图1所示(c 为刚玉,m 为莫来石,q 为石英)㊂假设瓷件内部的晶相只有刚玉㊁石英和莫来石,其他可能存在的物相均为玻璃相,按照优化后的方法对瓷件内部物相组成进行定量分析[11],得到瓷件内部物相含量随烧成温度的变化,瓷件中刚玉㊁石英和莫来石相含量随烧成温度变化如图2所示,瓷件中总晶相和玻璃相含量随烧成温度变化如图3所示㊂从结果可以看出,随着烧成温度从1160ħ升高到1310ħ,瓷件内部总晶相含量(刚玉相㊁莫来石相和石英相含量总和,文中均为质量分数)从52.94%逐渐下降到48.37%,与此同时玻璃相含量从47.06%升高到51.63%㊂同时还可以发现,晶相中的刚玉相㊁莫来石相和石英相随着烧成温度的升高呈现出完全不同的变化趋势㊂刚玉相含量随着烧成温度的升高逐渐下降,刚玉相含量下降幅度很小,仅从1160ħ的37.85%下降到1310ħ的35.02%㊂石英相含量随烧成温度的升高持续下降,并且下降幅度较大,从1160ħ的7.60%下降到1310ħ的1.94%㊂随着烧成温度从1160ħ升高到1310ħ,莫来石相含量从7.49%逐渐升高到11.41%㊂3318㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图2㊀瓷件中刚玉㊁石英和莫来石相含量随烧成温度变化Fig.2㊀Changes of corundum,quartz and mullite phase content in porcelain with sinteringtemperature 图3㊀瓷件中总晶相和玻璃相含量随烧成温度变化Fig.3㊀Changes of total crystalline phases and glass phase in porcelain with sintering temperature 随着烧成温度升高,高温状态下瓷件内部的部分刚玉会熔于高温熔体中,导致熔体中的Al 2O 3含量增加,熔体中增加的Al 2O 3最终以莫来石相的形式析出[6],从而引起瓷件内部莫来石相含量增加㊂与此同时,瓷件中熔于高温熔体中的石英相含量逐渐增加,熔体中新增加的SiO 2一部分以莫来石相的形式析出,另一部分最终会以玻璃相的形式存在于瓷件中,从而引起瓷件内部玻璃相含量增加㊂2.2㊀微观结构分析2.2.1㊀瓷件气孔的变化瓷件气孔随烧成温度的变化如图4所示㊂从图4中可以看出,不同烧成温度下瓷件中的气孔均呈均匀分布状态,但随着烧成温度的升高,瓷件内部的气孔在数量㊁形状和尺寸方面存在较大差异㊂当烧成温度仅为1160ħ时,瓷件内部气孔数量较多,且存在较多的絮状㊁蠕虫状等不规则气孔[12],气孔尺寸大部分在5μm 以下,偶见有10μm 及以上的气孔(见图4(a))㊂随着烧成温度的升高,瓷件内部气孔数量逐渐变少,气孔形状逐渐向团状㊁球状发展,气孔尺寸逐渐变大㊂当烧成温度提高到1310ħ时,瓷件内部气孔数量明显变少,大部分气孔都呈较规则的球形,尺寸大部分在10μm 左右(见图4(f))㊂图4㊀瓷件气孔随烧成温度的变化Fig.4㊀Variation of porosity of porcelain with sintering temperature第9期袁志勇等:高铝瓷组成㊁结构与力学性能随烧成温度的演变3319㊀为进一步研究烧成温度对瓷件内部气孔的影响,对不同烧成温度下瓷件的真气孔率P t 进行分析对比,瓷件的真气孔率计算式如式(1)[13]所示㊂P t =1-ρb ρt ()ˑ100%(1)式中:P t 为真气孔率,%;ρb 为体积密度,g /cm 3;ρt 为真密度,g /cm 3㊂瓷件的体积密度㊁真密度㊁真气孔率测试结果见表4㊂瓷件的烧成收缩率㊁体积密度和真气孔率随烧成温度的变化如图5所示㊂从表4和图5中可以看出,随着烧成温度的升高,瓷件的烧成收缩率和体积密度与真气孔率呈相反的变化趋势㊂当烧成温度从1160ħ升高到1220ħ时,瓷件的烧成收缩率从8.00%升高到9.55%,体积密度从2.52g /cm 3增加到最大值2.70g /cm 3,真气孔率从12.5%下降到最低值5.59%;随着烧成温度继续从1220ħ升高到1280ħ,瓷件的烧成收缩率基本不变(在9.60%左右),体积密度保持在最大值(2.70g /cm 3),真气孔率维持在最低值5.59%;但是随着烧成温度进一步升高到1310ħ,瓷件的烧成收缩率下降至9.16%,体积密度下降至2.66g /cm 3,真气孔率增加至6.99%㊂表4㊀瓷件的体积密度㊁真密度㊁真气孔率测试结果Table 4㊀Test results of bulk density ,true density and true porosity of porcelainTemperature /ħBulk density /(g㊃cm -3)True density /(g㊃cm -3)True porosity /%Dye penetration results Firing shrinkage /%1160 2.52 2.8812.50Penetration 8.001190 2.60 2.879.41Anti penetration 8.931220 2.70 2.86 5.59Anti penetration 9.551250 2.70 2.86 5.59Anti penetration 9.611280 2.70 2.86 5.59Anti penetration 9.641310 2.66 2.86 6.99Anti penetration 9.16图5㊀瓷件的烧成收缩率㊁体积密度和真气孔率随烧成温度的变化Fig.5㊀Variation of firing shrinkage rate,bulk density and true porosity of porcelain with sintering temperature 当烧成温度低于1220ħ时,瓷件处于生烧状态,内部玻璃相偏少,此时瓷件内部的气体可以排出体外㊂因此,当烧成温度从1160ħ升高到1220ħ时,瓷件内部玻璃相含量增加,瓷件致密化程度提升,内部气体总量减少,气孔数量减少,真气孔率下降㊂当温度从1220ħ升高到1280ħ时,瓷件内部玻璃相含量持续增加,瓷件达到最佳的致密化烧结状态,内部的气体被完全封闭在瓷件内,无法向外排出,真气孔率不变,此时瓷件内部只发生气孔之间的合并,使气孔数量减少,气孔尺寸变大㊂进一步将烧成温度提升到1310ħ,瓷件处于过烧状态,内部玻璃相含量多,且内部继续发生气孔之间的合并,使气孔数量减少㊂但是由于烧成温度过高,气孔发生胀大[14],使真气孔率升高㊂2.2.2㊀瓷件晶相形貌的变化用氢氟酸处理过表面的瓷件形貌随烧成温度的变化如图6所示,能谱分析如图7所示㊂结合图6和图7可以看出,刚玉㊁莫来石和石英晶粒均匀地分布在瓷件中㊂随着烧成温度的升高,瓷件内部莫来石含量增加,且相互交织的程度加大㊂瓷件中的莫来石包含一次莫来石和二次莫来石:一次莫来石是由高岭石转变而成[15],呈颗粒㊁鳞片或短柱状,一般比较短小且致密;二次莫来石是从长石熔化黏土分解产物后的熔体中析出,呈三维交织的针状结构㊂2.3㊀力学性能的演变瓷件的弯曲强度随烧成温度的变化如图8所示㊂从图8中可以看出,当烧成温度为1160ħ时,瓷件的弯曲强度仅为151MPa,这是因为此时还未达到瓷件的烧成温度范围,在此温度下瓷件处于生烧状态,由于玻璃相含量低,瓷件内部孔隙率大,并且存在大量的开口气孔(瓷件吸红,见表4)㊂当烧成温度提升到3320㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷1190ħ时,瓷件弯曲强度达到最大值,为181MPa㊂将烧成温度从1190ħ提高到1310ħ,瓷件的弯曲强度从181MPa 逐渐下降至158MPa㊂从图8中还可以看出,当烧成温度介于1190~1280ħ时,瓷件的弯曲强度均大于160MPa㊂图6㊀瓷件被腐蚀表面随烧成温度的变化Fig.6㊀Variation of corroded surface of porcelain with sinteringtemperature 图7㊀瓷件被腐蚀表面的能谱分析结果Fig.7㊀Results of energy spectra analysis of corroded surface of porcelain第9期袁志勇等:高铝瓷组成㊁结构与力学性能随烧成温度的演变3321㊀图8㊀瓷件的弯曲强度随烧成温度的变化Fig.8㊀Variation of bending strength of porcelain with sintering temperature 瓷件的弯曲强度和总晶相含量随烧成温度的变化如图9所示㊂由图9和图3可知,当烧成温度从1190ħ升高到1310ħ时,瓷件内部晶相总量下降,瓷件的弯曲强度随之下降㊂电瓷的弥散强化理论认为[16-17],瓷件中的晶相(包括刚玉㊁莫来石和石英)弥散分布在连续的玻璃相中,发挥颗粒增强玻璃相的作用㊂因此瓷件中总晶相含量下降,弥散分布在玻璃相中的增强颗粒减少,瓷件弯曲强度下降㊂瓷件的弯曲强度和莫来石相含量随烧成温度的变化如图10所示㊂由图10㊁图2和图6可知,当烧成温度从1190ħ升高到1310ħ时,瓷件内部莫来石相含量增加,针状莫来石的相互交织程度提高,瓷件的弯曲强度下降㊂电瓷的莫来石强化理论[18-19]认为瓷件的弯曲强度完全取决于其内部相互交织的针状二次莫来石,瓷件内莫来石含量越高,针状莫来石相互交织的程度越高,瓷件的弯曲强度越高㊂但显然试验结果与莫来石强化理论相违背,表明莫来石含量及其交互程度对瓷件弯曲强度的影响不显著㊂图9㊀瓷件的弯曲强度和总晶相含量随烧成温度的变化Fig.9㊀Variation of bending strength and total content of crystalline phases of porcelain with sinteringtemperature 图10㊀瓷件的弯曲强度和莫来石相含量随烧成温度的变化Fig.10㊀Variation of bending strength and content of mullite phase of porcelain with sintering temperature瓷件内部裂纹的SEM 照片如图11所示㊂由图11可知,瓷件的玻璃相中存在裂纹,局部短的微裂纹首尾相连,有扩展趋势,并且裂纹更多出现在没有莫来石或者莫来石较少的玻璃相区域㊂这可能是因为玻璃相中含有更多的碱金属和碱土金属元素,而碱金属和碱土金属元素可以降低该区域的烧成温度㊂该区域的固化过程伴随着体积收缩现象的产生,但此时周边没有足够的熔体来填充固化引起的体积收缩,因此在内应力的作用下出现了裂纹㊂瓷件内部玻璃相含量越多,瓷件在烧成的冷却阶段收缩越严重,瓷件内部玻璃相中裂纹越多[20]㊂同时瓷件中残留的石英冷却至573ħ时会发生晶型转变[21],体积突变引起石英颗粒内部产生较大的收缩应力,使石英颗粒内部出现贯穿性裂纹(见图6(b)和6(c)),甚至发生炸裂(见图11)㊂瓷件玻璃相和石英颗粒中存在的裂纹在外力作用下会成为瓷件断裂的根源,对瓷件强度不利㊂3322㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图11㊀瓷件内部的裂纹的SEM照片Fig.11㊀SEM images of cracks in porcelain3㊀结㊀论1)随着烧成温度的升高,瓷件内部总晶相含量逐渐下降,其中刚玉相和石英相含量下降,莫来石相含量升高,升高的原因是熔解的刚玉和部分石英以莫来石形式析出㊂2)随着烧成温度的升高,瓷件内部玻璃相含量增加,瓷件真气孔率先下降,后趋于稳定,最后再升高,生烧和过烧都会使瓷件的真气孔偏高㊂3)随着烧成温度的升高,处于致密烧结状态下的瓷件内部总晶相含量减少,且内部起弥散增强作用的晶相颗粒减少,使得瓷件强度降低㊂4)当烧成温度介于1220~1280ħ时,瓷件体积密度维持最大值2.70g/cm3,真气孔率维持最低值5.59%,瓷件强度均在160MPa以上,该温度范围为高铝质瓷的理想烧成温度区间㊂参考文献[1]㊀LIEVERMANN J,SCHULLET W.Avoiding quartz in alumina porcelain for high-voltage insulators[J].American Ceramic Society Bulletin,2001,80(6):37-42.[2]㊀MENG Y,GONG G H,WU Z P,et al.Fabrication and microstructure investigation of ultra-high-strength 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铝矾土煅烧技术及设备
铝矾土煅烧技术及设备1.铝矾土的加热变化中国铝矾土主要是D-K型;某些二级铝矾土含有勃姆石;个别的还含有一些白云母：有些三级铝矾土含有一定数量的地开石..铝矾土的加热变化可分为三个阶段：分解阶段、二次莫来石化阶段和结晶烧结阶段..1分解阶段400～1200℃400～1200℃温度范围为铝矾土的分解阶段..在该阶段;铝矾土中的水铝石和高岭石在400℃时开始脱水;至450～600℃反应激烈;700～800℃完成..水铝石脱水后形成刚玉假象;此种假象仍保持原来水铝石的外形;但边缘模糊不清;折射率较水铝石低;在高温下逐转变为刚玉..高岭石脱水后形成偏高岭石;950℃以上时偏高岭石转变为莫来石和非晶态SiO2;后者在高温下转变为方石英..其反应式为：3Al2O3·2SiO2偏高岭石→400～600℃→3Al2O3·2SiO2莫来石+4SiO2非晶态SiO2表1 耐火材料用铝矾土矿的技术条件若允许有小于50mm者;其数量不超过总量的10%；③矿石夹杂之杂质如山皮、粘土等不得超过1%;并不得混入明显的块状或片状石灰石表2 耐火材料用铝矾土精矿的技术条件232232Al2O3·2SiO2·2H2O高岭石→400～600℃→Al2O3·2SiO2偏高岭石+H2O↑3Al2O3·2SiO2偏高岭石→400～600℃→3Al2O3·2SiO2莫来石+4SiO2非晶态SiO22二次莫来石化阶段1200～1400℃或1500℃在1200℃以上;从水铝石脱水形成的刚玉与高岭石分解出来的游离SiO2继续发生反应形成莫来石;被成为二次莫来石：3Al2O3+2SiO2→≥1200℃→3Al2O3+2SiO2二次莫来石在二次莫来石化时;发生约10%的体积膨胀..同时在1300～1400℃以下时铝矾土中的Fe2O3、TiO2和其它杂质与Al2O3、SiO2反应既可形成液相;Fe2O3、TiO2也可进入莫来石的晶格形成固溶体..液相的形成;有助于二次莫来石化的进行;同时也为重晶烧结阶段准备了条件..3重晶烧结阶段1400～1500℃在二次莫来石化阶段;由于液相的形成;已经开始发生某种程度的烧结;但进程很缓慢..只有随着二次莫来石化的完成;重晶烧结作用才开始迅速进行..在1400～1500℃以上;由于液相的作用;刚玉与莫来石晶体长大;1500℃时约10μm;到1700℃分别为60μm和90μm；同时;微观气孔在1200℃到1400～1500℃之间约为100～300μm;基本保持不变；在1400～1500℃以后迅速缩小与消失;气孔率降低;物料迅速趋向致密..2.铝矾土的烧结铝矾土烧结的主要因素有二次莫来石化、液相及铝矾土的组织结构..二次莫来石化是D-K型铝矾土在煅烧过程中必然发生的反应;该反应往往引起10%左右的体积膨胀;对烧结起妨碍作用..其原因一是生成二次莫来石时由于比重的变化引起物料本身的体积增大；二是由于颗粒间发生二次莫来石反应而相互推开;从而在颗粒间形成空隙..另外;反应时在颗粒周围首先形成莫来石薄膜也妨碍了铝、硅离子的进一步扩散;使反应难趋完全..二次莫来石的形成量与铝矾土中水铝石、高岭石的相对含量有关..如果高岭石加热分解出的SiO2与水铝石分解出的Al2O3正好达到莫来石的组成;则二次莫来石的量将会达到最大..研究与生产实践都证明;Al2O3含量在65%～70%的二级铝矾土;Al2O3/SiO2比值接近莫来石的Al2O3/SiO2比值2.55;在煅烧后莫来石的含量最高;二次莫来石化程度最大;最难于烧结；而Al2O3含量较高或较低的特级或三级铝矾土烧结较容易;温度也较低..铝矾土的分散度对二次莫来石化的影响也是显着的..铝矾土原矿煅烧时;由于矿物分布不均匀;颗粒反应后相互推开而引起的膨胀起着重要作用..这种作用使反应无法趋于完全;而生成的空隙往往不易弥合;使铝矾土难于致密化..原块铝矾土除组织结构较均匀的特级和三级在1500℃以下达到烧结外;其它铝矾土往往吸水率较高..若将铝矾土细磨制坯后煅烧;分散度提高;二次莫来石化进行得较早;并易于完全;在较低的温度下既产生膨胀;对烧结有利..由于烧结基本上开始于二次莫来石化完成的温度;所以充分的二次莫来石化是铝矾土达到烧结的必要条件;特别是对二级铝矾土尤为重要..液相是影响铝矾土烧结的另一重要因素..铝矾土煅烧时所形成液相量一、二级铝矾土约10%;三级约20%～30%不足以填满颗粒间的全部空隙..在这种情况下;液相的作用首先是把固体颗粒拉在一起;使它们相互接触..但二次莫来石化引起的膨胀却是把它们推开;两个相反的作用同时进行..在1400～1500℃以内时;液相的数量较少、流动性较低;二次莫来石化起主导作用..在1400～1500℃以上时;二次莫来石趋于完全;液相数量和流动性都增大;液相烧结作用明显显现;成为烧结的主导因素..液相使固体颗粒基本上都相互接触之后;就逐渐发生着固体颗粒的溶解与分析晶过程;逐步导致晶粒堆积致密;直到最后形成连续的固相骨架;液相填充空隙;使铝矾土完全烧结..但液相也有其有害作用的一面;若液相量增多;或者它的熔点、粘度降低;则降低铝矾土的高温机械性能..填充在空隙中的液相冷却后即为玻璃相..烧后铝矾土的玻璃相化学组成有如下特点：①玻璃相中Al2O3/SiO2比值随铝矾土Al2O3/SiO2比值降低而降低..②特级与一级铝矾土中;Fe2O3、TiO2进入玻璃相较多；而二级铝矾土中则进入结晶相较多..③煅烧温度提高时由1500到1700℃;玻璃相中的Al2O3含量减少;SiO2含量增加；同时;一级铝矾土的玻璃相中Fe2O3增多而TiO2减少；二级铝矾土Fe2O3、TiO2都更多地进入玻璃相..铝矾土的组织结构即均匀致密程度及鲕状体的数量与分析;直接影响到铝矾土熟料的烧结程度与致密性..如鲕状体较多的二级铝矾土;组织结构复杂;不均匀;烧后一般呈黄、白两色;白色为水铝石富集部分;黄色为高岭石及一些杂质集中部位;且常有膨胀现象;烧结困难..3.铝矾土煅烧的工艺流程传统的煅烧铝矾土熟料的生产工艺流程如下：原料进厂→库→破碎→粉磨→过压滤→练泥→挤出成型→烘干→煅烧→破碎→出厂成品由于铝矾土原料成分的不稳定;这种传统的煅烧铝矾土熟料的生产工艺所得到的铝矾土熟料品质不高;且产品质量不稳定;为了得到品质优良的铝矾土熟料;提出的新的煅烧铝矾土熟料的生产工艺流程如下：原料进厂→库→破碎→粉磨→脱硅→湿法均化→过压滤→练泥→挤出成型→烘干→煅烧→破碎→出厂成品..4. 煅烧铝矾土的设备在生产铝矾土熟料的过程中;铝矾土的煅烧对熟料品味有很大影响;因此选择铝矾土的煅烧窑炉是很重要的..铝矾土的煅烧设备主要有倒焰窑、回转窑、隧道窑、梭式窑等..1倒焰窑;是一种间歇式的窑炉..其名称是由火焰流动情况而获得..燃烧所产生的火焰都从燃烧室的喷火口上行至窑顶;由于窑顶是密封的;火焰不能继续上行;在窑顶部没有出气孔的情况下;就被烟囱的抽力拉向下行;经过匣钵柱的间隙;自窑底吸火孔进支烟道;主烟道;最后由烟囱排出..因为热气体重度轻;总是浮在上面;所以人们习惯把火焰从下到上称为“顺”..而把由上向下流动的火焰称为“倒”这就是“倒焰窑”称呼的由来倒焰窑的优点是窑的容积可大可小;生产上的灵活性;可以得到质量好的产品;建设投资费用少;金属材料耗用少..其缺点是间歇操作;废气离窑时温度很高;故单位制品的燃料消耗大；生产规模小；劳动条件差；机械化水平低；操作控制困难；生产效率低；环保性能差..一般;倒焰窑的热效率仅6.48%;而每吨烧成品耗煤却高达1.456吨..2回转窑是指旋转煅烧窑;起源于水泥生产..现在;在建材、冶金、化工、环保等许多生产行业中;也广泛地使用回转窑设备对固体物料进行机械、物理或化学处理..煅烧铝矾土的回转窑大都由以重油为燃料改成以煤粉为燃料;每煅烧1吨高铝矾土的耗煤量为200～250kg..回转窑的特点有：结构简单、易损件少、生产过程易控制和运转率高；易于大规模的生产；并且易于实现自动化控制;产品质量稳定..3隧道窑是现代化的连续式烧成的热工设备;广泛用于陶瓷产品的焙烧生产;在磨料等冶金行业中也有应用..隧道窑主要用于制品的烧成;耐火材料行业根据使用温度的不同可以分为三种;低温隧道窑主要用于焙烧滑板砖等;烧成温度约1000℃；中温隧道窑主要用于烧成普通碱性砖、粘土砖、高铝砖、硅砖等;烧成温度1300℃～1650℃；高温隧道窑主要用于烧成中档镁砖、高纯镁砖、镁铝质及刚玉质等制品;烧成温度大于1700℃;一般介于1800℃～1900℃..劳动强度大;生产效率低;热耗高;难以实现自动化控制..目前国内外大型铝矾土煅烧生产系统均采用回转窑设备和工艺..5. 400TPD铝矾土煅烧生产系统主要技术参数1生产能力400t/d 120000吨/年2回转窑的规格Φ3.6×76m3回转窑的斜度 3.0%4单筒冷却机规格Φ3.6×40m5原料指标特级Al2O3＞85% Fe2O3＜2%一级Al2O3＞85% Fe2O3＜2%6成品指标特级Al2O3＞85% 体积密度＞3.1g/cm3一级Al2O3＞80% 体积密度＞2.9g/cm37燃料8燃料热值9单位产品热耗8000~9500kj/kg10煅烧温度≥1650℃11年工作日300天。
材料物理性能(第三章-材料的热学性能)
热性能的物理本质：晶格热振动（lattice heat vibration），根据牛顿第二定律，简谐振动方程 （simple harmonic vibration equation）为：
式中： = 微观弹性模量（ micro-elastic- modulus ）， = 质点质量（mass）， = 质点在x方向上位移（displacement）。
表31某些无机材料的热容温度关系经验方程式系数c105温度范围氮化铝54778298900刚玉274330684729818008755149626682981100碳化硼229954010722981373氧化铍8454003172981200氧化铋2474800298800氮化硼bn1823622731173硅灰石casio26643606522981450氧化铬28532203742981800钾长石6383129017052981400氧化镁10181741482982100碳化硅8933093072981700石英1120820270298848石英14411942982000石英玻璃13383683452982000碳化钛11830803582981800金红石tio17970284352981800某一振动格波是以阶梯的形式占有能量两相邻能级相差一个声子在n能级上的振动几率服从波尔兹曼能量分布规律exp每一格波所具有的能量为该格波的平均能量
1. 声子和声子传导
根据量子理论、一个谐振子的能量是不连续的，能量 的变化不能取任意值，而只能是最小能量单元——量子 （quantum）的整数倍。一个量子所具有的能量为hv。晶 格振动的能量同样是量子化的。声频支格波（acoustic frequency）—弹性波—声波（acoustic wave）—声子。把 声频波的量子称为声子，其具有的能量为 hv=hω ，固体热 传导公式：
刚玉砖荷重软化温度
刚玉砖荷重软化温度
刚玉砖是一种耐火材料，通常用于高温环境下的建筑和设备。
其荷重软化温度是指在一定荷载下，材料开始软化和变形的温度。
这个温度是材料在高温下承受压力时的重要参数，对于工程设计和材料选择非常重要。
刚玉砖的荷重软化温度取决于多种因素，包括原料成分、制备工艺、晶粒结构等。
一般来说，刚玉砖的荷重软化温度在1700摄氏度以上，因为刚玉是一种高温稳定的材料，具有优秀的耐热性能。
但具体数值还是要根据具体材料的性能表来确定。
在工程实践中，选择刚玉砖作为耐火材料时，荷重软化温度是需要考虑的重要因素之一。
设计者需要根据工程的具体要求和工作环境的温度来选择合适的材料。
此外，还需要考虑刚玉砖的热膨胀系数、导热系数、化学稳定性等其他性能指标，综合考虑来确定最终的材料选用方案。
总之，刚玉砖的荷重软化温度是一个重要的材料性能参数，对于高温环境下的工程建设具有重要意义，工程设计者在选择和应用刚玉砖时需要充分考虑这一指标。
刚玉
刚玉(红宝石、蓝宝石) 红宝石、蓝宝石是世界公认的两大珍贵彩色宝石，在圣经中红宝石是最珍贵的，被誉为“爱情之石”，象征着热情似火，爱情的美好和坚贞，是七月的生辰石。
蓝宝石被看成忠诚和德高望重的象征，是九月的生辰石。
一、刚玉宝石的基本性质1矿物结晶习性刚玉在矿物学上属刚玉族，其化学成份是铝的氧化物（Al2O3），可含微量元素Fe、Ti、Cr、Mn、V等。
刚玉属三方晶系，晶体常呈桶状、柱状，少数呈板状或叶片状。
具双晶。
2光学性质刚玉的颜色十分丰富，几乎包括可见光谱中的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的所有颜色。
刚玉属它色矿物，纯净时无色，含Cr时呈红色，Fe、Ti联合作用致蓝色。
抛光面呈亮玻璃光泽至亚金刚光泽，透明至不透明。
折射率为1.762~1.770，双折射，具二色性。
红色刚玉在紫外线下具红色荧光，蓝色刚玉一般无荧光。
吸收光谱：红宝石具620--540吸收带，476、475强吸收线，紫区全吸收。
蓝宝石：450吸收带，浅灰蓝色者仅可见450处一条细线。
3力学性质刚玉无解理；底面裂理发育。
刚玉硬度为9，密度为4.00g/cm3（我国山东蓝宝石可达4.17g/cm3）。
二、刚玉的分类1按颜色分类红宝石：中到深红色刚玉，（包括红色，橙红、紫红、褐红）。
蓝宝石：除红色外的其他颜色的刚玉（蓝、绿、黄、橙、粉、紫、灰、黑、无色等）。
2按特殊光学效应分星光红宝石、星光蓝宝石，变色蓝宝石（很少数）。
三、红宝石●红色刚玉，红色来自铬（Cr），含量一般有0.1-3%，最高者可达4%。
●常见红宝石内部有很多的裂纹，即所谓的红宝石“十红九裂”；具有明显的二色性，有时肉眼从不同角度就能看出其颜色变化。
●天然红宝石非常少见珍贵，但人工合成并非太难，所以工业用红宝石都是合成的。
●主要产地：缅甸、泰国、斯里兰卡、越南、坦桑尼亚，澳大利亚、中国云南。
缅甸缅甸抹谷是世界上最精美红宝石的产地，以“鸽血红”闻名于世。
缅甸抹谷红宝石具有鲜艳的玫瑰红色——其红色的最高品级称为“鸽血红”，即红色纯正，且饱和度很高。
第三章 水热法生长宝石晶体与鉴别
第三章水热法生长宝石晶体与鉴别☐一、水热法生长宝石晶体概述☐二、影响宝石晶体生长的因素☐三、水热法生长水晶、红宝石、祖母绿、海蓝宝石晶体☐四、水热法生长宝石晶体的鉴别一、水热法生长宝石晶体概述☐1、定义水热法也称热液法，是在密封的高压容器内，从水溶液中生长出晶体的方法，在一定程度上再现了地下热液矿床矿物结晶的过程。
☐2、原理是利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法。
3、水热法宝石晶体生长的分类☐（1）等温法等温法主要利用物质的溶解度差异来生产晶体。
所用原料为亚稳定相物质，籽晶为稳定相物质。
高压釜内上、下无温差，是这一方法的特色。
此法的缺点是无法生长出晶形完整的大晶体。
（2）摆动法摆动法的装置由A、B两个圆筒组成，其中A筒放置培养液，B筒放置籽晶，两筒间保持一定的温度差。
定时地摆动A、B两个圆筒以加速它们之间的对流，利用两筒之间的温差在高压环境下生长出晶体，此法也曾用于水晶的生长。
（3）温差法温差法是在立式高压釜内生产晶体，高压釜内部的对流挡板将釜腔分成上、下两部分，籽晶挂在生长区的培育架上，晶体在籽晶上逐步生长；对流挡板的下部为培养料区(也称溶解区)，溶解区内放人适量的高纯度原料和矿化剂。
加热，使高压釜的上、下部分形成一定的温差。
4、水热法宝石晶体生长所需的设备☐水热法宝石晶体生长所需的基本设备有：高压釜、炉子、热电偶、温度控制器和温度记录器。
高压釜☐高压釜为可承高温高压的钢制釜体。
一般可承受1100oC的温度和109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。
由于内部要装酸、碱性的强腐蚀性溶液，当温度和压力较高时，在高压釜内要装有耐腐蚀的贵金属内衬，如铂金或黄金内衬，以防与釜体材料发生反应。
也可利用在晶体生长过程中釜壁上自然形成的保护层来防止进一步的腐蚀和污染。
5、水热法生长宝石晶体的优缺点☐（1）优点a、能够生长存在相变(如a石英等)和在接近熔点时蒸汽压高的材料(如ZnO)或要分解的材料(如V02)。
刚玉的电阻率
刚玉的电阻率什么是刚玉？刚玉是一种极硬的矿物质，化学式为Al2O3，也就是氧化铝。
它是自然界中存在的第三大矿物质，仅次于二氧化硅和方解石。
刚玉晶体结构紧密，硬度非常高，可以用来制作磨料、陶瓷和电子元器件等。
刚玉的电阻率电阻率是材料抵抗电流通过的能力的量度，通常以欧姆米（Ω·m）为单位。
对于某些应用而言，材料的电阻率非常重要。
在电子元器件制造过程中，材料的电阻率可以影响到元器件的性能和可靠性。
刚玉具有很高的电绝缘性，在高温下表现良好，并且可以在极端环境下使用。
因此，在一些特殊应用中，如高温传感器、半导体工业、医学设备和航空航天领域等，刚玉被广泛应用。
那么刚玉的具体电阻率数值是多少呢？以下将从不同角度进行讨论。
1. 刚玉晶体与非晶态材料根据材料的晶体结构和化学成分，电阻率可能会有所不同。
在刚玉的情况下，刚玉晶体和非晶态材料的电阻率是不同的。
研究表明，刚玉晶体的电阻率约为10^14 Ω·m，而非晶态刚玉的电阻率则在10^6~10^11 Ω·m之间。
这种巨大差异可以归因于两者之间不同的结构特征。
2. 温度对刚玉电阻率的影响温度是影响材料电阻率的重要因素。
通常情况下，随着温度升高，材料的电阻率会降低。
对于刚玉而言，在室温下，其电阻率约为10^14 Ω·m。
随着温度升高，其电阻率会逐渐降低。
在1000℃左右时，其电阻率已经降至约10^8 Ω·m左右。
需要注意的是，在极端高温条件下（如2000℃以上），刚玉可能会发生相变并失去其特殊性质。
3. 杂质对刚玉电阻率的影响杂质是指在材料中存在但不应该存在的物质。
在某些情况下，杂质可以影响材料的电阻率。
对于刚玉而言，其中最常见的杂质是铁。
研究表明，当铁含量较高时，刚玉电阻率会显著降低。
因此，在制备高纯度刚玉时，需要尽可能去除其中的杂质。
总结综上所述，刚玉的电阻率取决于多种因素，包括晶体结构、温度和杂质等。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的刚玉材料，并进行必要的处理以满足要求。
刚玉的导热系数
刚玉的导热系数
刚玉是一种非常硬的材料，它的硬度仅次于金刚石。
除此之外，刚玉还具有很高的导热系数，这使得它在很多领域都有着广泛的应用。
导热系数是指物质在温度梯度下传导热量的能力。
刚玉的导热系数非常高，达到了约30W/(m·K)。
这意味着刚玉能够快速地将热量从一个地方传递到另一个地方，因此在高温环境下，刚玉是一种非常理想的材料。
刚玉的高导热系数使得它在制造高温设备时非常有用。
例如，在炼钢过程中，需要将炉温控制在非常高的温度范围内，以确保钢材的质量。
刚玉可以用来制造炉墙、炉底等部件，以帮助传递热量并保持炉内温度的稳定。
刚玉还可以用于制造高温炉管、炉嘴等部件。
这些部件需要能够承受高温和高压，同时还需要具有良好的导热性能，以确保热量能够快速地传递到需要加热的物体上。
刚玉的高导热系数还使得它在制造电子元件时非常有用。
例如，在高功率LED灯中，需要使用刚玉作为散热器，以帮助将热量从LED 芯片中传递出去。
这可以帮助提高LED灯的效率和寿命。
刚玉的高导热系数使得它在很多领域都有着广泛的应用。
无论是在制造高温设备还是电子元件方面，刚玉都是一种非常理想的材料。