原材料与钛酸铝陶瓷性能之间关系的研究＊

周林平黄亚蒙

(1江苏省无锡市产品质量技术监督检验所 江苏无锡 214101)

(2浙江大学材料系无机非金属研究所 杭州 310027)

原材料与钛酸铝陶瓷性能之间关系的研究＊

周林平1黄亚蒙2

(1江苏省无锡市产品质量技术监督检验所 江苏无锡 214101)

(2浙江大学材料系无机非金属研究所 杭州 310027)

用不同纯度的二氧化钛粉体和不同晶型的氧化铝粉体为原料进行钛酸铝合成研究。结果表明:引入稳定剂和烧结助剂,在一定的烧结温度条件下,这些原材料均可生成具有良好力学性能的钛酸铝陶瓷;在相同的烧成条件下,钛黄粉反应生成的钛酸铝陶瓷比钛白粉反应生成的陶瓷具有更好的力学性能;采用钛黄粉与工业氧化铝粉合成的钛酸铝陶瓷,由于生产成本低,在耐火材料领域具有广泛的应用潜力。

钛酸铝陶瓷 钛黄粉 钛白粉

钛酸铝陶瓷材料具有较高的熔点(1 860℃±10℃)、较低的热膨胀系数(在RT-1 000℃条件下,α< 2.0×10-6/℃),优良的抗热震性(△Tc>1 000℃),导热系数小[1～4],在较高温度和冷热频繁交换条件下具有很大的应用潜力。另外具有与许多金属(特别是有色金属)熔液及玻璃熔液不浸润的特性,能够经受起高温金属溶液的长期冲刷和侵蚀而不产生剥落现象。但从钛酸铝的实际应用情况来看,存在产品性能一致性差和产品价格过高的问题,致使产品应用范围有限。目前我们尝试采用不同的原料合成钛酸铝材料,降低制品价格[5～6]。笔者在已有钛酸铝陶瓷研制的基础上,引入低成本的钛黄粉和γ-A l2O3及高活性ρ-A l2O3,采用一步法直接制备出钛酸铝陶瓷,并对其产品相关性能进行比较。

1 实验

1.1 试样制备

本实验采用的原料有工业钛白粉、钛黄粉、氧化铝微粉(α-A l2O3)、活性氧化铝粉(ρ-A l2O3)、工业氧化铝(γ-A l2O3)、轻质氧化镁、锂辉石等。钛酸铝合成实验配方如表1所示。按配方准确称取原料,采用QM-ISP(4 L)型行星式球磨机(南京大学仪器厂)对原料进行机械球磨混匀,以氧化锆球为球磨介质,装料参数为:料、球、水的质量比为1∶3∶1.25,球磨时间为24 h。然后将料浆在150℃下烘干,加入6%的结合剂,在30 M Pa的成形压力下加工成长为50.0 mm的长条,在20 M Pa的成形压力下加工成高和直径分别是18.0mm和9.0mm的圆块。将成形好的的试样放在烘箱内80℃热处理2 h,然后将干燥好的试样放在不同的温度下烧成,并对其做相关的产品测试。

表1 实验配方(质量%)Tab.1 Experiment fo rmula

1.2 性能测试

采用W E-B型液压式万能试验机测定常温抗压强度;采用日本理学电机株式会社生产的D/max-RA型转靶X射线衍射仪测定样品的X射线衍射谱;用真空法测定吸水率,显气孔率以及体积密度。

2 结果与讨论

2.1 一步法合成钛酸铝

图1 配方1、2、3、7合成产物的XRD图谱Fig.1 XRD of samp les of 1,2,3,7

图1为添加了不同含量的烧结助剂锂辉石的钛酸铝的XRD图谱,表明均生成了钛酸铝。图2和图3是烧结助剂锂辉石与气孔率及密度之间的关系曲线。从图2可以看出,随着烧结助剂含量的增加,钛酸铝陶瓷气孔率有一个先减小后增大的过程,说明烧结助剂过多对材料致密度不利。从图3可以看出,密度与烧结助剂锂辉石的含量与气孔率相反,是一个先增加后减少的趋势,在锂辉石含量为2%时,密度最高。

图2 锂辉石含量与气孔率之间的关系图Fig.2 The po rosity changes w ith the amount of spodumene

图3 锂辉石含量与密度之间的关系图Fig.3 The density changes w ith the amount of spodumene

表2为工业钛白粉与氧化铝微粉(α-A l2O3)一步法合成钛酸铝陶瓷试样的性能。从表2可看出钛酸铝陶瓷具有很高的耐压强度,最高可达754.5M Pa,其耐压强度比目前已有的钛酸铝陶瓷要高。同时随着锂辉石含量的增加,试样的抗压强度和抗折强度也逐渐增大。但锂辉石量过多易降低钛酸铝陶瓷的荷重软化温度,因此,结合烧结助剂含量与气孔率及密度的关系曲线可知,锂辉石加入量以2%为宜。

表2 锂辉石含量对钛酸铝陶瓷各项性能的影响Tab.2 Mechanical p roperties of samp les added different amount of spodumene

表3 钛白粉和不同晶相结构氧化铝反应生成钛酸铝陶瓷的性能指标Tab.3 Mechanical p roperties of samples added different amount of spodumene

表3是钛白粉与不同晶型氧化铝在1 450℃煅烧之后生成钛酸铝陶瓷的各项性能指标。从表3可以看出,钛白粉与α-A l2O3反应生成的钛酸铝陶瓷耐压强度最高,钛白粉与ρ-A l2O3、γ-A l2O3反应生成的钛酸铝陶瓷耐压强度较低,从收缩率的指标看,与不同晶型的氧化铝粉的致密度存在密切联系,致密度越高,收缩率越小,气孔率也越小,密度越大。

2.2 合成钛酸铝样品的性能

表4 钛黄粉和不同晶相结构氧化铝反应生成钛酸铝陶瓷的各项性能指标Tab.4 Mechanical p roperties of samples added different amount of spodumene

表4是钛黄粉与不同晶型氧化铝在1 450℃煅烧之后生成钛酸铝陶瓷的各项性能指标。从表4可看出工业钛黄粉分别与α-A l2O3反应生成的钛酸铝陶瓷耐压强度陶瓷最低,钛黄粉与ρ-A l2O3、γ-A l2O3反应生成的钛酸铝陶瓷耐压强度较高,与不同晶型的氧化铝粉的致密度存在密切联系,致密度越高,收缩率越小,气孔率也越小,密度越大。

综上所述,不同纯度的二氧化钛原料与不同晶型的氧化铝原料在一定的温度条件下均可生成钛酸铝;烧结助剂和稳定剂可有效提高陶瓷材料的强度,但过多锂辉石会导致密度下降及气孔率提高,从而影响试样的机械强度,锂辉石含量以2%为宜;在相同的烧成条件下,钛黄粉反应生成的钛酸铝陶瓷比钛白粉反应生成的陶瓷具有更好的力学性能,由于其价格低廉,这对低成本开发钛酸铝材料开辟了一个新的方向。

1 曹爱红.钛酸铝复相陶瓷的制备及其抗热震性能的研究:[硕士学位论文].天津:天津大学,2004

2 薛明俊,孙承绪.钛酸铝陶瓷研究新进展.硅酸盐通报,1999(4):53～59

3 塍祥红,李贵佳.钛酸铝陶瓷的研究现状及产业化发展趋势.全国性建材科技期刊——陶瓷,2002(2):10～11

4 靳喜海,梁波,陈玉茹.钛酸铝陶瓷.材料导报,1997,6 (11):31～33

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6 董秀珍,范增为,王瑞生.钛酸铝材料性能及合成工艺.全国性建材科技期刊——陶瓷,2007(7):13～17

Synthesis of Alum inum Titanate with Differen t Raw Materials

Zhou Linping1,Huang Yameng2(1Wuxi Institute of Supervision and Testing on Product Quality,Jiangsu,Wuxi,214101)(2 College of Materials and Chemical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,310027)

A luminum Titanate ceramic was successfully synthesized w ith different degrees purity of TiO2pow ders and different typesof A l2O3pow ders as raw materials.The results show that:all these raw materials can synthesize aluminum titanate ceramics at certain temperatures by introducing stabilizersand sintering aids;under the same condition,aluminum titanate ceramics synthesized w ith rutile yellow p refo rmed better in mechanic p roperty than that w ith titanium pigment as the p roduction cost is lower,aluminum titanate ceramics synthesized in this paper has great application potential in refracto ry materials.

A luminum titanate ceramics;Rutile yellow;Titanium pigment

TQ174

:A

:1002-2872(2010)12-0015-03

周林平(1982-),硕士;研究方向为建材检测、建筑节能。Email:zhoulinpingandy@163.com