MgAl2O4及MgAl2O4-CaAl12O19陶瓷材料的固相合成和性能调控研究

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镁铝尖晶石(化学式为MgAl2O4或MgO·Al2O3,简写为MA)具有优异的高温力学性能,优异的耐剥离性和耐腐蚀性,是Al2O3-MgO体系中最为典型的耐高温陶瓷材料。而六铝酸钙(化学式为CaAl12O19或CaO·6Al2O3,简写为CA6)晶粒的沿基面优先生长的特性,使得其生长为片状或针状形貌,可以增强材料的韧性。二铝酸钙(CaAl4O7或CaO·2Al2O3,简写为CA2)具有较低的热膨胀系数,与其它高熔点、高膨胀系数材料复合时能很好的抵抗热冲击导致的损毁。因此,MA-CA6复合材料因其综合两者的性能,在高温行业中作为新型的耐高温陶瓷材料受到大家广泛的关注。本论文采用高温固相烧结法制备了MA陶瓷材料、MA-CA2-CA6陶瓷复合材料和MA-CA6陶瓷复合材料,研究了矿化剂对上述陶瓷材料性能的影响规律,并探讨了矿化剂对陶瓷材料性能的强化机理,得到了以下的研究成果:1)研究发现随着烧结温度的升高,MA陶瓷材料的体积密度和抗折强度逐渐增大。经1600℃保温2 h烧结后,MA材料的烧结性能较差,其体积密度为3.17 g/cm3,抗折强度值为133.31 MPa;随着矿化剂Fe2O3添加量的增加,MA陶瓷材料的体积密度逐渐增大,抗折强度则出现先增大后减小的变化,当添加量为3 wt%时,抗折强度达到最大值209.3 MPa。2)研究表明MA-CA6陶瓷材料的性能和相组成与Ca CO3原料的粒度、α-Al2O3的纯度、α-Al2O3原料的粒度、合成的温度和保温时间有关。使用粒径小的Ca CO3和纯度大的α-Al2O3为原料,经1600℃烧结,保温2 h,合成的MA-CA6陶瓷材料有最大的抗折强度。Ca CO3的粒度对MA-CA6陶瓷材料中CA6相的形成和晶粒的生长发育起着重要的作用。α-Al2O3中杂质Si,在高温下将形成瞬态液相,使得CA6晶粒形貌由薄片状向等轴状演变。3)研究了矿化剂ZnO和Mg(BO2)2对MA-CA6陶瓷材料性能的影响规律和强化机理。发现矿化剂ZnO和Mg(BO2)2所形成的(Mg1-xZnx)Al2O4固溶体和含硼的液相使得MA的晶粒变小和MA的含量增多。这些致密相包覆着微晶MA颗粒形成分散区域的致密体,导致了CA6晶粒向等轴状晶粒转变,从而促进了MA-CA6陶瓷材料的致密化和提高了其抗折强度。4)通过用分析纯的Al2O3代替α-Al2O3,完全使用分析纯原料合成了MA-CA2-CA6陶瓷材料。研究了矿化剂SnO2和H3BO3对材料的物理和力学性能,微观结构和相组成的影响。结果表明,添加矿化剂SnO2和H3BO3后陶瓷材料中分别出现了固溶体和含硼的瞬态液相,使得CA2相向CA6相转变,从而加速了MA和CA6的形成,提高了陶瓷材料的烧结活性。多余的Ca所形成的的致密相,使得MA和CA6晶粒之间粘结紧密,提高了陶瓷材料的力学性能。
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