陶瓷刚玉磨料的研制
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Ｔｈｅ ｇｅｌａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｓ Ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｎａｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓ０１一ｇｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂｙ
ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｔｈｅ ｌｎａｊｏｒ ｆａｃｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ
ｃｏｎ＾ｒＩｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ，ａｃｉｄ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｇｅｌａｔｉｏｎ ｒｅａｇｅｎｔ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ， ｔｈｅ ｏｐｔｉｌｌｌｕｍ ｇｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｃ ｉｄｅｄ ｉｎ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．
Ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｉｌｎｐｏｒｔａｎｃｅ ｆｂｒ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｎｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｓｏｍｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｎｇｅｓ，ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ａｎｄ ｔｈｕｓ ｔｈｅｒｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ａ ｌａｒｇｅ ｉｎｎｅｒ ｓｔｒｅｓｓ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ａｆ如ｃｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｒｍｉｃｓ ａｂｒａｓｉｖｅ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｒａｔｉｏ， ｈａｒｄｎｅｓｓ， ａｐｅｒｔｕｒｅ ｈａＶｅ ｂｅｅｎ ｉｎＶｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ
Ｉ ｎ ｔｈｅ ｄｒｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇｅｌａｔｉｏｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｖｅｓｓｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｙｌｅ ｏｆ ｄｒｙｉｎｇ ｈａＶｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ．Ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｙｉｌｌｇ ｐ１．ｏｃｅｓｓ，ａ ｓｅｔ ｏｆ ｖｅｓｓｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ａ ｇｏｏｄ ｔｅｎｌｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｎｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ｏｕｔ，ｂｙ、、７ｈｉｃｈ ｔｈｅ ｄｒｙｉｎｇ ｔｊｎｌｅ ｃａｎ ｂｅ ｓｈｏｎｅｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ ｃａｎ ｂｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ．
１．２氧化铝在磨料方面的应用Ｈ”。’
由于ａ—Ａ１：Ｏ；是氧化铝家族中最稳定的物相．具有硬度高、耐磨性好等特点． 因此被广泛用作制造各种磨削材料。
（１）烧结铝矾土 烧结铝矾土是最早应用于磨料行业的初级产品，它采用高铝矾土为原料．在 高温窑内烧结，经粉碎、分级等工艺而成为各种不同用途的磨料。由于烧结铝矾 土的化学成分不容易控制，它的各种性能也不稳定，目前已基本淘汰。 （２）熔融刚玉 熔融刚玉中最具代表的是白刚玉、棕刚玉及高铝刚玉，它们是目前磨料行业 应用最多的ａ—Ａｌ。０，。它们均采用电熔方法制备（最初发明人为Ｈａｓｓｌａｃｈｅｒ，德国 专利．８ｊ０２１．１８９４年）。它们的制造均利用电能加热电弧炉内的氧化铝，使之达到 氧化铝的熔点之上．经冷却、破碎、分级等工艺而生产出不同粒径及用途的刚玉 磨料。由于经过熔融工艺，刚玉的～次晶体较大。熔融刚玉共同的特点是一次晶 体较大，一般较烧结。一Ａ１：Ｏ。大几倍甚至几百倍：硬度高：脆性大：晶体边界尖 锐。在磨料方面，它们可以用来制作低档次的磨削制品，如砂轮、砂带、砂布等。 图卜３是用于磨削用的白刚玉磨料的ＳＥＭ照片，由此可以看到它具有棱角鲜明的 特征，它的每一个单颗粒都是～个或几个单晶体，相对于其它氧化铝磨料而言， 它一次晶体要大得多。 （３）烧结Ｑ—Ａｌ。Ｏ：． 烧结ａ—Ａｌ：Ｏ；具有晶界圆滑及高硬度的特点，它可以用来制作各种抛光粉、 浆及膏，如不锈钢镜面抛光磨料、单晶硅抛光磨料等。图卜４是用于精密抛光的 ｄ—Ａｌ？Ｏ。的ＳＥＭ照片，它的颗粒由大量细小颗粒团聚而成，与陶瓷刚玉磨料所不 同的是，它的一次晶体要比陶瓷刚玉磨料大，同时结合松散。根据用途的不同， 烧结的一次晶体可以从Ｏ．５ｕ～ｌＯ丛不等。这些烧结ａ—Ａｌ如。由于没有经过熔融 工艺，因此一次晶体比熔融刚玉小的多。 （４）陶瓷刚玉 陶瓷刚玉磨料是氧化铝基磨料中的最新产品，它采用化学陶瓷化工艺，一般 采用溶胶一凝胶工艺制备，凝胶后的氧化铝经过干燥、破碎烧结等工艺，最后成 为不同用途的陶瓷刚玉磨料。图卜５及卜６是陶瓷刚玉磨料的ＳＥＭ照片。图ｌ－５ 的放大倍数是２００倍．从照片上可以看到它具有棱角鲜明的特征．图卜６是陶瓷 刚玉磨料单颗粒局部放大４∞Ｏ倍的Ｓ蹋照片，从这张照片上我们可以看到它是 出大量一次晶体小于ｌ ｐ的颗粒硬团聚丽成的，非常致密。它的二次晶体和熔融
ｉｍｐｏｒ妇ｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｏｆｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆ０１．１ｎａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｃｔｉ、，ｅ ｅｎｅｒｇｙ
ｃａｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｂｒｍａｔｉｏｎ．Ｒｕｂｂｉｎｇ ａｎｄ ｓｅｅｄｉｎｇ ａｒｅ ｇｏｏｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｃｔｉＶｅ ｅｎｅｒｇｙ．
中南大学 硕士学位论文 陶瓷刚玉磨料的研制 姓名：陈玮 申请学位级别：硕士 专业：冶金物理化学 指导教师：尹周澜;周海龙
20030520
陶瓷刚玉磨抖的研制
摘要
陶瓷刚玉磨料是～种新型的应用前景Ｊ。一泛的磨料，它是利用溶胶 ～凝胶技术生产的微晶氧化铝陶瓷磨料，具有硬度高、韧性好等特点。 利用溶胶一凝胶技术生产陶瓷刚玉磨料的工艺过程比较复杂，一般要 经历溶胶一凝胶、凝胶的干燥、破碎、烧结等多个工艺步骤，每个ｒ 艺步骤都与陶瓷刚玉磨料的性能有着密切的关系。
以粉碎等特点。在ａ—Ａｌ：０：，晶体结构中，由三个Ｏ卜组成的面是两相邻接的八面体
所共有，整个晶体可以看成无数八面体［Ａ１０６］通过共面结合而成的大“分子”，
如图卜２所示，故ａ—Ａ１。Ｏ。的稳定性较大；ｏ—Ａｌ：魄结构紧密，ａ—Ａｌ。Ｏ，中键力各
——
！塑盔堂塑主笙塞
堕鳖型薹壁塾盟婴型
向分布比较均匀，不易从某一方向裂解，因此ａ—Ａｌ。０Ｉ制品对酸、碱都有较好的 抵抗力。
在溶胶一凝胶工艺过程中，胶凝速度对胶凝过程有着十分重要的 影响，通过对胶凝过程的研究，确定了影响胶凝时间的主要因素有初 始同含量、加酸量、胶凝剂加入量、温度等，并获得了实验室条件下 最他的胶凝条件。
在凝胶干燥过程中，温度、干燥器皿、干燥方式等因素都会对十 凝胶的强度产生影响，通过分析干燥过程，设计了一套特殊的干燥器 皿，并提出了几种能够有效缩短干燥时间，同时增加凝胶强度的干燥 拈＆度制度。
１．１．２Ⅱ一Ａｌ：０。的结构与性质隅“。
Ｑ～Ａｌ？Ｏ。（俗称刚玉）是所有氧化铝中最稳定的物相，它的稳定性和它的晶 体结构有着密切的关系，Ａｌ。０、属Ａ！Ｂ。型化合物，ｏ—Ａｌ：Ｏ，属三方晶系。 ａ严４．７５Ａ，ｃＦｌ２．９７Ａ，结构中０’成六方最紧密堆积，Ａ１ ３＋则填充在其八面体空隙中。 由于Ａ１与Ｏ的比例是２：３，因此Ａｌ没有填满所有的八面体空隙。只填了三分 之二，因而也就降低了ａ—Ａｌ：Ｏ：，晶体的对称性。ａ—Ａ１：０。晶体结构中Ａｌ”的排列
作者签名：陴 日期：』生窖ｊ盐月—冱日
关于学位论文使用授权说明
本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学 校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。
作者签名：弹导师签名：删日期：举』月五曰
关键词：氧化铝，溶胶一凝胶，陶瓷刚玉磨料，工艺条件
±壹叁堂堕±堡塞
堕堡型至壁燮塑堕型
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｒｍｉｃｓ ａｂｒａｓｉｖｅ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｗｉｄｅｌｖ ｕｓｅｄ ａｌｕｍｉｎａ－ｂａｓｅｄ ａｂｒａｓｉＶｅ．Ｉｔ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ ｃｒｙｓｔａｌ ａｌｕｍｉｎａ ａｂｒａｓｉｖｅ ｍａｄｅ ｂｙ ｓｏｌ—ｇｅｌ ｔｅｃｈｎｏＪｏｇｙ ａｎｄ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｌ．ｅ ｏｆ ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｒｍｉｃｓ ａｂｒａｓｉＶｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ，ｃｏｍｍｏｎｌｙ，ｗ川 ｕｎｄｅｒｇｏ ｓｏＩ—ｇｅｌ，ｄｒｙ ｏｆ ｇｅｌａｔｉｎ，ｃｒａｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ．Ｅａｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ａｎ ｏｓｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｌ＇ｌｎｉｃｓ ａｂｒａｓｉｖｅ．
生壹盔兰堡±迨塞
堕堡旦！至壁塑堕堡型—一
Ｂｙ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｓｏｌ—ｇｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｄｒｙｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｌ＾ｌｎｉｃｓ ａｂｒａｓｉＶｅ ｈａｓ
ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｒｍｉｃｓ ａｂｌ．ａｓｈｅ，ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
原创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。
ＸＲＤ， ＳＥＭ， ｈａｒｄｎｅｓｓ，ＢＥＴ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｒｅａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ．Ｆｉｎａｌ Ｊｙ，ａ
ｓｐｅｃｉａｌ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｆｉｔ ｔｈｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ
ｐｌ’ｏｃｅｓｓ ｗｅｌｌ．
Ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｂｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｓｉｎｇ ＤＴＡ ，ＸＲＤ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ Ｊ１１ａｄｅ ｔｈａｔ ｔｅｍｐｅｌ‘ａｔｕｒｅ ｉｓ ｔｈｅ
ｂｅｅｎ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ １ ９８２ＨＶ ｒｅａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ
ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ３９００ ｋｇ．ｍ—ａｎｄ ｏ“ｎｇｉｎａｌ ｃｒｙｓｔａｌ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｌ ｐ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ａｌｕｍｉｎａ，ｓ０１－ｇｅｌ，
一—玉！＆达堂堡±迨銮
堕童型至壁登塑竖剑
第一章前言
１．１氧化铝的分类及ｑ～ＡＩ。０。的结构与性质
１．１．１氧化铝的分类”。１
氧化铝是指氧化铝水合物及其热分解产物，氧化铝大致可以分为三大类： ①氧化铝水合物，包括三水铝石、拜耳石、诺耳石、一水软铝石等；②过渡相氧 化铝，包括ｙ—Ａ１ ｚｏｎ ｎ—Ａ１：Ｏ。Ｋ～Ａ１：０。ｘ—Ａｌ？０。ｏ—Ａｌ：Ｏ。ｐ—Ａபைடு நூலகம்：Ｏ。等；③稳 定相氧化铝，ａ—Ａ１ １０。前两类氧化铝经高温烧结后．最终均可以转变为稳定的 。一Ａｌ！Ｏ。而且过程是不可逆的。文献“。３均报道了氧化铝晶型转变的过程及其温 度条件。
凝胶的烧结过程，由于涉及到物理变化及化学变化，物料的体积 收缩斗’分明显，物料内应力的非常大，从而对陶瓷刚玉磨料性能有较 人的影响。运用ｘＲＤ、ｓＥＭ、硬度、ＢＥＴ吸附、真密度等分析方法，研 究ｊ７烧结过程中氧化铝的物相、收缩率、硬度、孔径等的变化规律， 获得ｒ＝；＿ｆｉ同烧结阶段物料内应力的变化规律，优化设训‘了适合陶瓷刚 ‘Ｋ磨料烧结的温度制度。
运用差热、ｘＲＤ等分析手段，对烧结过程中氧化铝的相变过程进 行厂硼一究，提出温度是影响相变速率的重要因素；通过降低活化能的
力试町以促进氧化铝的相变过程，研磨和添加品种都是较好的降低氧
化锚相变过程活化能的方式。 通过一系列的实验，确定了最佳的溶胶一凝胶条件、最佳的干燥
温度制度及最佳的烧结温度制度，在实验室条件下制各出了符合要求 的陶瓷刚玉磨料，陶瓷刚玉磨料样品的指标为：硬度１９８２ＨＶ，真密 度为３９００ｋｇ．ｍ一‘，一次晶体＜１ ｕ。
情况如图１—１所示。
函～学
…●≯
２０
８苫
幽卜１ ｎ—Ａｌ：ｏ＿．晶体结构中 Ａｌ”的＿ｆ！Ｉ＃列情况
图卜２ ａ—Ａ１：０＝．的结构
Ａ卜Ｏ的静电键强度为ｌ／２，诈负离子间键力很强，晶格能较大．达
１６７４３ｋＪ．ｍｏ卜因此ａ—Ａｌ：０，在宏观上表现为熔点高（达２０５０℃），硬度大（达莫
氏硬度９），结构紧密（一次晶体真密度达４．０１９．ｃｍ。），机械强度高，ａ—Ａ１：０：，难
ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｔｈｅ ｌｎａｊｏｒ ｆａｃｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ
ｃｏｎ＾ｒＩｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｔｙ ｃｏｎｔｅｎｔ，ａｃｉｄ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｇｅｌａｔｉｏｎ ｒｅａｇｅｎｔ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ， ｔｈｅ ｏｐｔｉｌｌｌｕｍ ｇｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｃ ｉｄｅｄ ｉｎ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．
Ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｉｌｎｐｏｒｔａｎｃｅ ｆｂｒ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｎｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｓｏｍｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｎｇｅｓ，ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ａｎｄ ｔｈｕｓ ｔｈｅｒｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ａ ｌａｒｇｅ ｉｎｎｅｒ ｓｔｒｅｓｓ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ａｆ如ｃｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｒｍｉｃｓ ａｂｒａｓｉｖｅ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｒａｔｉｏ， ｈａｒｄｎｅｓｓ， ａｐｅｒｔｕｒｅ ｈａＶｅ ｂｅｅｎ ｉｎＶｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ
Ｉ ｎ ｔｈｅ ｄｒｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｇｅｌａｔｉｏｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｖｅｓｓｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｙｌｅ ｏｆ ｄｒｙｉｎｇ ｈａＶｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ．Ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｙｉｌｌｇ ｐ１．ｏｃｅｓｓ，ａ ｓｅｔ ｏｆ ｖｅｓｓｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ａ ｇｏｏｄ ｔｅｎｌｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｙｓｔｅｎｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ｏｕｔ，ｂｙ、、７ｈｉｃｈ ｔｈｅ ｄｒｙｉｎｇ ｔｊｎｌｅ ｃａｎ ｂｅ ｓｈｏｎｅｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｅｄ ｇｅｌａｔｉｎ ｃａｎ ｂｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ．
１．２氧化铝在磨料方面的应用Ｈ”。’
由于ａ—Ａ１：Ｏ；是氧化铝家族中最稳定的物相．具有硬度高、耐磨性好等特点． 因此被广泛用作制造各种磨削材料。
（１）烧结铝矾土 烧结铝矾土是最早应用于磨料行业的初级产品，它采用高铝矾土为原料．在 高温窑内烧结，经粉碎、分级等工艺而成为各种不同用途的磨料。由于烧结铝矾 土的化学成分不容易控制，它的各种性能也不稳定，目前已基本淘汰。 （２）熔融刚玉 熔融刚玉中最具代表的是白刚玉、棕刚玉及高铝刚玉，它们是目前磨料行业 应用最多的ａ—Ａｌ。０，。它们均采用电熔方法制备（最初发明人为Ｈａｓｓｌａｃｈｅｒ，德国 专利．８ｊ０２１．１８９４年）。它们的制造均利用电能加热电弧炉内的氧化铝，使之达到 氧化铝的熔点之上．经冷却、破碎、分级等工艺而生产出不同粒径及用途的刚玉 磨料。由于经过熔融工艺，刚玉的～次晶体较大。熔融刚玉共同的特点是一次晶 体较大，一般较烧结。一Ａ１：Ｏ。大几倍甚至几百倍：硬度高：脆性大：晶体边界尖 锐。在磨料方面，它们可以用来制作低档次的磨削制品，如砂轮、砂带、砂布等。 图卜３是用于磨削用的白刚玉磨料的ＳＥＭ照片，由此可以看到它具有棱角鲜明的 特征，它的每一个单颗粒都是～个或几个单晶体，相对于其它氧化铝磨料而言， 它一次晶体要大得多。 （３）烧结Ｑ—Ａｌ。Ｏ：． 烧结ａ—Ａｌ：Ｏ；具有晶界圆滑及高硬度的特点，它可以用来制作各种抛光粉、 浆及膏，如不锈钢镜面抛光磨料、单晶硅抛光磨料等。图卜４是用于精密抛光的 ｄ—Ａｌ？Ｏ。的ＳＥＭ照片，它的颗粒由大量细小颗粒团聚而成，与陶瓷刚玉磨料所不 同的是，它的一次晶体要比陶瓷刚玉磨料大，同时结合松散。根据用途的不同， 烧结的一次晶体可以从Ｏ．５ｕ～ｌＯ丛不等。这些烧结ａ—Ａｌ如。由于没有经过熔融 工艺，因此一次晶体比熔融刚玉小的多。 （４）陶瓷刚玉 陶瓷刚玉磨料是氧化铝基磨料中的最新产品，它采用化学陶瓷化工艺，一般 采用溶胶一凝胶工艺制备，凝胶后的氧化铝经过干燥、破碎烧结等工艺，最后成 为不同用途的陶瓷刚玉磨料。图卜５及卜６是陶瓷刚玉磨料的ＳＥＭ照片。图ｌ－５ 的放大倍数是２００倍．从照片上可以看到它具有棱角鲜明的特征．图卜６是陶瓷 刚玉磨料单颗粒局部放大４∞Ｏ倍的Ｓ蹋照片，从这张照片上我们可以看到它是 出大量一次晶体小于ｌ ｐ的颗粒硬团聚丽成的，非常致密。它的二次晶体和熔融
ｉｍｐｏｒ妇ｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｏｆｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆ０１．１ｎａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｃｔｉ、，ｅ ｅｎｅｒｇｙ
ｃａｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｂｒｍａｔｉｏｎ．Ｒｕｂｂｉｎｇ ａｎｄ ｓｅｅｄｉｎｇ ａｒｅ ｇｏｏｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｃｔｉＶｅ ｅｎｅｒｇｙ．
中南大学 硕士学位论文 陶瓷刚玉磨料的研制 姓名：陈玮 申请学位级别：硕士 专业：冶金物理化学 指导教师：尹周澜;周海龙
20030520
陶瓷刚玉磨抖的研制
摘要
陶瓷刚玉磨料是～种新型的应用前景Ｊ。一泛的磨料，它是利用溶胶 ～凝胶技术生产的微晶氧化铝陶瓷磨料，具有硬度高、韧性好等特点。 利用溶胶一凝胶技术生产陶瓷刚玉磨料的工艺过程比较复杂，一般要 经历溶胶一凝胶、凝胶的干燥、破碎、烧结等多个工艺步骤，每个ｒ 艺步骤都与陶瓷刚玉磨料的性能有着密切的关系。
以粉碎等特点。在ａ—Ａｌ：０：，晶体结构中，由三个Ｏ卜组成的面是两相邻接的八面体
所共有，整个晶体可以看成无数八面体［Ａ１０６］通过共面结合而成的大“分子”，
如图卜２所示，故ａ—Ａ１。Ｏ。的稳定性较大；ｏ—Ａｌ：魄结构紧密，ａ—Ａｌ。Ｏ，中键力各
——
！塑盔堂塑主笙塞
堕鳖型薹壁塾盟婴型
向分布比较均匀，不易从某一方向裂解，因此ａ—Ａｌ。０Ｉ制品对酸、碱都有较好的 抵抗力。
在溶胶一凝胶工艺过程中，胶凝速度对胶凝过程有着十分重要的 影响，通过对胶凝过程的研究，确定了影响胶凝时间的主要因素有初 始同含量、加酸量、胶凝剂加入量、温度等，并获得了实验室条件下 最他的胶凝条件。
在凝胶干燥过程中，温度、干燥器皿、干燥方式等因素都会对十 凝胶的强度产生影响，通过分析干燥过程，设计了一套特殊的干燥器 皿，并提出了几种能够有效缩短干燥时间，同时增加凝胶强度的干燥 拈＆度制度。
１．１．２Ⅱ一Ａｌ：０。的结构与性质隅“。
Ｑ～Ａｌ？Ｏ。（俗称刚玉）是所有氧化铝中最稳定的物相，它的稳定性和它的晶 体结构有着密切的关系，Ａｌ。０、属Ａ！Ｂ。型化合物，ｏ—Ａｌ：Ｏ，属三方晶系。 ａ严４．７５Ａ，ｃＦｌ２．９７Ａ，结构中０’成六方最紧密堆积，Ａ１ ３＋则填充在其八面体空隙中。 由于Ａ１与Ｏ的比例是２：３，因此Ａｌ没有填满所有的八面体空隙。只填了三分 之二，因而也就降低了ａ—Ａｌ：Ｏ：，晶体的对称性。ａ—Ａ１：０。晶体结构中Ａｌ”的排列
作者签名：陴 日期：』生窖ｊ盐月—冱日
关于学位论文使用授权说明
本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学 校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。
作者签名：弹导师签名：删日期：举』月五曰
关键词：氧化铝，溶胶一凝胶，陶瓷刚玉磨料，工艺条件
±壹叁堂堕±堡塞
堕堡型至壁燮塑堕型
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｒｍｉｃｓ ａｂｒａｓｉｖｅ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｗｉｄｅｌｖ ｕｓｅｄ ａｌｕｍｉｎａ－ｂａｓｅｄ ａｂｒａｓｉＶｅ．Ｉｔ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｓｕｐｅｒｆｉｎｅ ｃｒｙｓｔａｌ ａｌｕｍｉｎａ ａｂｒａｓｉｖｅ ｍａｄｅ ｂｙ ｓｏｌ—ｇｅｌ ｔｅｃｈｎｏＪｏｇｙ ａｎｄ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｈａｒｄｎｅｓｓ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｌ．ｅ ｏｆ ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｒｍｉｃｓ ａｂｒａｓｉＶｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ，ｃｏｍｍｏｎｌｙ，ｗ川 ｕｎｄｅｒｇｏ ｓｏＩ—ｇｅｌ，ｄｒｙ ｏｆ ｇｅｌａｔｉｎ，ｃｒａｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ．Ｅａｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ａｎ ｏｓｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｌ＇ｌｎｉｃｓ ａｂｒａｓｉｖｅ．
生壹盔兰堡±迨塞
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Ｂｙ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｓｏｌ—ｇｅｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｄｒｙｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｌ＾ｌｎｉｃｓ ａｂｒａｓｉＶｅ ｈａｓ
ａｌｕｍｉｎａ ｃｅｒｍｉｃｓ ａｂｌ．ａｓｈｅ，ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
原创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。
ＸＲＤ， ＳＥＭ， ｈａｒｄｎｅｓｓ，ＢＥＴ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｒｅａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ．Ｆｉｎａｌ Ｊｙ，ａ
ｓｐｅｃｉａｌ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｆｉｔ ｔｈｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ
ｐｌ’ｏｃｅｓｓ ｗｅｌｌ．
Ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｂｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｓｉｎｇ ＤＴＡ ，ＸＲＤ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ Ｊ１１ａｄｅ ｔｈａｔ ｔｅｍｐｅｌ‘ａｔｕｒｅ ｉｓ ｔｈｅ
ｂｅｅｎ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ １ ９８２ＨＶ ｒｅａｌ ｄｅｎｓｉｔｙ
ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ３９００ ｋｇ．ｍ—ａｎｄ ｏ“ｎｇｉｎａｌ ｃｒｙｓｔａｌ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｌ ｐ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
ａｌｕｍｉｎａ，ｓ０１－ｇｅｌ，
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第一章前言
１．１氧化铝的分类及ｑ～ＡＩ。０。的结构与性质
１．１．１氧化铝的分类”。１
氧化铝是指氧化铝水合物及其热分解产物，氧化铝大致可以分为三大类： ①氧化铝水合物，包括三水铝石、拜耳石、诺耳石、一水软铝石等；②过渡相氧 化铝，包括ｙ—Ａ１ ｚｏｎ ｎ—Ａ１：Ｏ。Ｋ～Ａ１：０。ｘ—Ａｌ？０。ｏ—Ａｌ：Ｏ。ｐ—Ａபைடு நூலகம்：Ｏ。等；③稳 定相氧化铝，ａ—Ａ１ １０。前两类氧化铝经高温烧结后．最终均可以转变为稳定的 。一Ａｌ！Ｏ。而且过程是不可逆的。文献“。３均报道了氧化铝晶型转变的过程及其温 度条件。
凝胶的烧结过程，由于涉及到物理变化及化学变化，物料的体积 收缩斗’分明显，物料内应力的非常大，从而对陶瓷刚玉磨料性能有较 人的影响。运用ｘＲＤ、ｓＥＭ、硬度、ＢＥＴ吸附、真密度等分析方法，研 究ｊ７烧结过程中氧化铝的物相、收缩率、硬度、孔径等的变化规律， 获得ｒ＝；＿ｆｉ同烧结阶段物料内应力的变化规律，优化设训‘了适合陶瓷刚 ‘Ｋ磨料烧结的温度制度。
运用差热、ｘＲＤ等分析手段，对烧结过程中氧化铝的相变过程进 行厂硼一究，提出温度是影响相变速率的重要因素；通过降低活化能的
力试町以促进氧化铝的相变过程，研磨和添加品种都是较好的降低氧
化锚相变过程活化能的方式。 通过一系列的实验，确定了最佳的溶胶一凝胶条件、最佳的干燥
温度制度及最佳的烧结温度制度，在实验室条件下制各出了符合要求 的陶瓷刚玉磨料，陶瓷刚玉磨料样品的指标为：硬度１９８２ＨＶ，真密 度为３９００ｋｇ．ｍ一‘，一次晶体＜１ ｕ。
情况如图１—１所示。
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幽卜１ ｎ—Ａｌ：ｏ＿．晶体结构中 Ａｌ”的＿ｆ！Ｉ＃列情况
图卜２ ａ—Ａ１：０＝．的结构
Ａ卜Ｏ的静电键强度为ｌ／２，诈负离子间键力很强，晶格能较大．达
１６７４３ｋＪ．ｍｏ卜因此ａ—Ａｌ：０，在宏观上表现为熔点高（达２０５０℃），硬度大（达莫
氏硬度９），结构紧密（一次晶体真密度达４．０１９．ｃｍ。），机械强度高，ａ—Ａ１：０：，难