堇青石（2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂）是具有低热膨胀系数和低介电常数的陶瓷材料。随着社会发展和科技进步,堇青石陶瓷材料不断地被发掘出新功能和新应用,可用作优质的耐火材料、高温结构陶瓷、电子封装材料、催化剂载体、泡沫陶瓷、印刷电路板和低温热辐射材料,因此,堇青石陶瓷用途广泛,需求量巨大。但是,可大量利用的天然堇青石资源几乎没有,堇青石的人工合成与制备技术一直以来都是国内外研究的热点科学问题。堇青石高温稳定性较差,因而堇青石陶瓷的制备过程需要精细控制。高岭土-滑石-氧化铝体系因原料来源广泛、合成温度低、合成堇青石的品质高,成为制备堇青石材料的主流体系。高岭土因成矿类型较多、种类繁多、分布广泛,而成为影响堇青石品质的重要因素。为了研究高岭土-滑石-氧化铝体系合成堇青石的机理,阐明高岭土原料对合成堇青石的过程及晶体结构的影响,本文分别以4种不同类型的高岭土作为原料变量,采用高温固相反应法合成堇青石,系统地开展了5个方面的科学研究与探讨:高岭土的原料特征及其高岭石晶体结构的研究;堇青石陶瓷的制备、结构及性能的研究;合成堇青石机理及反应过程的研究;利用固体核磁共振对合成堇青石结构和机理进行研究;堇青石陶瓷粉体改性的研究。主要研究内容和结论如下:（1）为了研究鄂尔多斯煤系高岭土、北海高岭土、茂名高岭土和澳洲高岭土的原料组成、显微结构及工艺性能,和解析4种高岭石的晶体结构,对4种高岭土原料化学组成及矿物组成、SEM显微形貌、流变性和可塑性进行了分析,利用XRD（基于不同扫描速率）、FTIR和TG-DSC表征了高岭石晶体结构的有序/无序性。研究发现,4种高岭土原料化学组成的差异明显,表现为主组分SiO₂/Al₂O₃质量比和杂质组分含量的不同。其中鄂尔多斯高岭土、北海高岭土、茂名高岭土和澳洲高岭土的SiO₂/Al₂O₃质量比依次为1.36、1.59、1.45和1.44,杂质含量依次为2.11 wt%、5.25 wt%、2.14 wt%和0.58 wt%。通过Hinckley Index指数、3695 cm^-1和3620 cm^-1处红外吸收峰比值、脱羟基吸热峰的对称性定性分析了4种高岭石的结构有序性,其结构有序性从高到低依次为澳洲高岭土、鄂尔多斯高岭土、茂名高岭土和北海高岭土。高岭土中杂质含量与晶体结构有序性具有相关性,高岭土中杂质组分越少,高岭石的晶体结构越有序。以4种具有特征差异的高岭土作为原料变量,对于高岭土-滑石-氧化铝体系研制优良性能的堇青石陶瓷具有普适性和代表性。（2）为了研究不同高岭土原料对堇青石陶瓷的制备、结构及性能的影响,利用高温显微镜、SEM、光学膨胀仪等先进的表征手段,深入研究了以不同高岭土配方制备的堇青石陶瓷的烧结制度、显微结构、热膨胀系数和电学性能。研究发现,高岭土-滑石-氧化铝体系合成堇青石的烧成过程分为4个阶段:1)试样出现较小线收缩的烧结初期阶段（约1000¹200 ^oC）;2)试样重膨胀阶段（约1200¹360 ^oC）;3)试样致密化阶段（约1360¹420 ^oC）;4)试样迅速变形阶段（约1420¹460 ^oC）。试样重膨胀过程温度范围较宽,使堇青石陶瓷的烧结温度范围急剧变窄。含不同高岭土原料的堇青石坯体是否在1200 ^oC前完成烧结直接影响试样的烧结温度范围。在高岭土原料中,K₂O+Na₂O含量决定了堇青石晶粒的大小和长径比,液相含量决定了显微结构中气孔的演变,并进而决定了堇青石陶瓷的热膨胀系数和电学性能的变化。低品位高岭土原料制备的堇青石陶瓷具有原料成本低,烧结温度范围宽,抗折强度高等优点,综合性能满足耐高温的电绝缘材料的使用要求。高品位的高岭土原料制备的堇青石陶瓷热膨胀系数小,气孔率高,适合应用于多孔材料领域。（3）为了研究不同高岭土原料对合成堇青石的反应过程的影响,利用XRD分析了不同烧成温度下的物相组成和含量,确定了物相的演变和反应过程,并进行了合成堇青石反应的热力学和动力学分析,从化学反应过程的角度揭示了高岭土-滑石-氧化铝体系合成堇青石的机理,并与纯化学试剂合成堇青石的机理进行了对比。研究发现,高岭土-滑石-氧化铝体系合成的堇青石的主要源自莫来石、顽火辉石和方石英的反应,而少量堇青石由镁铝尖晶石和方石英反应合成合成,两种堇青石所占的比例由高岭土原料的SiO₂/Al₂O₃质量比决定。高岭土-滑石-氧化铝体系合成堇青石的温度范围窄（1100¹200 ^oC）,起始温度低,合成速率快。4种高岭土原料及纯氧化物对最终合成堇青石的物相组成无影响,但高岭土原料对合成堇青石的温度产生约20 ^oC的影响。纯氧化物体系合成堇青石的温度高和范围宽。两组体系合成堇青石的速率均主要取决于二氧化硅相的存在形式。纯氧化物体系合成堇青石的过程由石英和方石英的相转变过程控制,方石英的存在显著提高合成堇青石的温度。高岭土-滑石-氧化铝体系合成堇青石的过程由富硅玻璃相的控制,并伴随着的液相烧结过程,液相烧结类型属于流动传质中的粘性流动。液相烧结过程的速率决定于富硅玻璃相的含量,其由高岭土组分的SiO₂/Al₂O₃质量比和杂质组分含量决定。二氧化硅相是影响合成堇青石速率和温度的关键因素,合成堇青石过程的调控需控制石英、方石英和富硅玻璃相的转变。（4）为了研究以不同高岭土原料合成堇青石的晶体结构,并从结构演变过程的角度揭示合成堇青石的机理,本文利用²⁹Si NMR研究了合成堇青石晶体结构中的Si/Al有序性,利用²⁷Al NMR研究合成堇青石的结构演变过程。研究发现,²⁹Si NMR是分析堇青石的晶体结构中Si/Al有序性最有效的手段。通过对²⁹Si NMR图谱进行Pearson-VII函数拟合,计算出了硅氧四面体的聚合状态Si_T1（nAl）和Si_T2（nAl）峰的相对强度值,构建了一种²⁹Si NMR图谱计算堇青石晶体结构的Si/Al有序性的数学公式。高岭土-滑石-氧化铝体系合成堇青石的结构式为Mg₂Al_3-xSi_x[Al_1+xSi_5-xO₁₈]（x=0.7⁰.9）,纯氧化物合成堇青石的结构式为Mg₂Al_0.8696Si_2.1304[Al_3.1304Si_2.8696O₁₈]。通过²⁹Si NMR图谱计算出晶体结构中Al-O-Al键的数量,能定量地判断不同高岭土原料制备的堇青石结构Si/Al有序性。合成堇青石中间产物的晶体结构基因会遗传到合成堇青石的过程中,并决定了Si/Al有序性。高岭土的SiO₂/Al₂O₃质量比越小,合成堇青石Si/Al有序性越差。²⁷Al NMR谱证实了堇青石结构中的[AlO₄]四面体由莫来石中的[AlO₆]六面体转变而来,Mg原子促进了六面体向四面的转化。因此,莫来石是影响合成堇青石结构变化的关键物相,堇青石结构的调控需控制莫来石生成和含量的变化。（5）为了获得高品质的堇青石复合粉体,采用HF-HNO₃混合酸处理堇青石陶瓷粉体,制备出了无定形二氧化硅包裹堇青石的复合粉体。采用SEM-EDS、XRD、FTIR等手段对复合粉体表面的二氧化硅进行了表征,利用SEM和²⁹Si NMR研究了堇青石陶瓷粉体向非晶态转变的形貌和晶体结构演变过程。研究发现,HF的作用是溶解堇青石陶瓷粉体表面的玻璃相,但不破坏堇青石的晶体结构。HNO₃通过除去晶体结构中Mg²⁺和Al³⁺,破坏堇青石的晶体结构,形成无定形二氧化硅。在堇青石晶体结构中,T1位置的[AlO₄]更容易与硝酸反应。经混合酸改性后,堇青石复合粉体的耐高温性能得到了改善,熔融温度提高了30 ^oC。采用HNO₃-HF混合酸处理低品位堇青石陶瓷粉体的方法,为获得高品质的堇青石复合粉体提供了有效的途径。