左緒俊　王臣　費乾峰　陳釗　楊本宏

摘 要：該文首先簡要介紹了粉煤灰和陶瓷材料的特點和性能，綜述了以固體廢棄物粉煤灰為主要原料制備出莫來石、堇青石、鈣長石、硅灰石和硅基復合陶瓷材料的研究進展，并展望了粉煤灰制備陶瓷材料的應用前景。

關鍵詞：粉煤灰；莫來石；堇青石；無機陶瓷材料

中圖分類號 X705 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）16-0089-06

Progress in Preparation of Inorganic Ceramics by Fly Ash

Zuo Xujun1 et al.

（1Department of Biological and Environmental Engironeering，Hefei University，Hefei 230601，China）

Abstract：First，this paper introduced simply the characteristics and properties of fly ash and inorganic ceramic materials，and then reviewed the research progress of using solid waste fly ash as main raw material to prepare mullite，cordierite，calcium feldspar，wollastonite and Si base composite inorganic ceramic materials，and finally the application prospect of the prepared inorganic ceramic materials was prospected.

Key words：Fly ash；Mullite；Cordierite；Inorganic ceramic material

1 引言

粉煤灰是煤炭燃燒后產生的煙塵中的細小粉狀顆粒物，其中包含多種常見的微量危害元素（如：Cd、As、Cu、Cr、Hg、Pb等），是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物。據(jù)統(tǒng)計，中國每年用于發(fā)電的煤量約高達17億t，而其產物粉煤灰的量約多達4億t[1]。粉煤灰的長期露天堆積，不僅造成了大量的土地被占用，而且還污染土壤、空氣和水資源，對環(huán)境和公眾安全造成巨大威脅。因此，加強粉煤灰的資源化利用，使其變廢為寶具有重要的意義。

陶瓷材料是人們生活生產中不可或缺的材料，當今稱它與高分子合成材料、金屬材料為目前的三大實用性固體材料。陶瓷材料是通過天然化合物原料或合成化合物原料經過成形加工和高溫燒結而制成的一種無機材料，它具有熔點高、硬度大、耐磨性強、耐氧化性強等優(yōu)良特性。

由于目前產業(yè)化的氧化鋁、氧化鋯等基質無機陶瓷的原料價格較貴，燒結溫度較高，導致其生產成本居高不下，僅在某些高端領域取得初步應用；然而在某些利潤率低且日處理量大的處理領域，現(xiàn)有價格較貴的商業(yè)無機陶瓷材料無法應用，因此如何利用廉價的資源降低合成無機陶瓷的成本是環(huán)保業(yè)目前主要研究方向之一。

粉煤灰中含有大量的礦物多相集合體，如：磁鐵礦、石英、硅灰石、鈣長石、方解石、赤鐵礦、鋁硅酸鹽和莫來石等，其主要化學成分（SiO2和Al2O3）是制備陶瓷材料的傳統(tǒng)常用原料，F(xiàn)e2O3、CaO、TiO2等成分是良好的燒結助劑，能夠與其它成分形成固溶體或在高溫下產生液相，從而降低燒結溫度，且粉煤灰中少量的炭也是良好的造孔劑。粉煤灰顆粒呈球形，具有大量微孔、較高比表面積和活性，容易研磨，是所有工業(yè)固廢中制備低價無機陶瓷材料最具優(yōu)勢的原料。由于傳統(tǒng)的陶瓷材料制備工藝和技術存在一定的缺陷，研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰中含有大量的氧化物如：CaO、Al2O3、MgO、SiO2、Fe2O3等，與制備陶瓷傳統(tǒng)原材料：黏土、石英砂、偏高嶺土等成分相近。我們需要添加合適的燒結助劑和尋找新型制備工藝、反應燒結技術，這是陶瓷材料的主要研究方向。

通過調研近年來的相關文獻，本文綜述了用粉煤灰作為制備無機陶瓷材料的主要原料，并根據(jù)需要增加合適的添加劑，制備了不同主相的無機陶瓷材料及其應用研究。

2 用粉煤灰制備不同主相無機陶瓷材料的研究進展

目前，國內外無機陶瓷材料主要是以莫來石、堇青石、鈣長石、硅灰石等為主晶相的材料，但這些材料的價格均偏高，導致所研究制備的陶瓷產品成本較高，很難得到大規(guī)模地推廣與使用。下面介紹選用價格較低的粉煤灰作為主要原料，并根據(jù)需要增加合適的添加劑，選擇適宜的添加劑，確定合理的制備工藝，研制出多種不同主相的無機陶瓷材料及其優(yōu)勢應用領域。

2.1 莫來石基陶瓷材料 莫來石（化學式為3A12O3·2SiO2），密度約為3.10g/cm3，莫氏硬度為6，熔點是1845℃，熔化溫度約為1915℃，彈性模量為1.5×105MPa，它是硅酸鋁系統(tǒng)中的在高溫環(huán)境中及標準大氣壓下僅有的穩(wěn)定二元物相。由于該相具有耐火度高、膨脹系數(shù)低（5.6×10-6/℃）和導熱系數(shù)（3.0～3.5W/m×K）、介電常數(shù)低、良好的紅外透過性能、耐酸性強、蠕變率低、比重低，廣泛應用于耐火材料、結構陶瓷和電子行業(yè)等領域。

林濱[2]等以高鋁粉煤灰為原料，經堿液預脫硅、酸洗除雜活化處理，燒結得到莫來石。研究了不同工藝條件對燒結莫來石產品性能的影響及不同燒結條件下的莫來石產品物相及顯微形貌轉變規(guī)律。實驗結果表明，經過預處理后，粉煤灰中的A12O3含量由47.58wt%提高至65.35wt%，當原料的粒徑平均為2.89μm，燒成溫度是1600℃，保溫時長為2h時，經預處理后的粉煤灰燒成莫來石相含量較高、長度約10μm的棒狀晶體，制取樣品的體積密度和顯氣孔率等理化性能良好，滿足莫來石行業(yè)的標準要求，采取去硅處理工藝也節(jié)省Al2O3資源。endprint

董應超[3-5]以粉煤灰和Al（OH）3為原料在1400℃下制備出了莫來石支撐體。莫來石的顆粒形狀有棒狀和晶須狀（針狀）兩種。其中晶須狀莫來石會形成交錯互鎖的多孔結構，對莫來石的機械強度有顯著提高。他用粉煤灰和鋁土礦作為主要原料并添加MgO，在1500℃燒結溫度制得莫來石陶瓷，探究MgO含量和燒結溫度對莫來石晶相致密度的影響，通過對樣品TGA、開氣孔率和比重的測試結果表明，在1450℃燒成溫度時，增加MgO的含量有利于提高陶瓷膜的線性熱膨脹系數(shù)、機械強度和致密度。他以粉煤灰和鋁土礦為主要原料并添加2wt%TiO2來探究TiO2對燒結活性和表征性能的影響，燒結1300～1500℃，實驗結果表明，TiO2對粉煤灰的低溫燒結有抑制作用、對粉煤灰的高溫燒結有促進作用，樣品的線性收縮率、體積密度和機械強度均隨著TiO2的含量增大而增大，而開孔隙率和平均孔徑隨之增大而減?。煌ㄟ^XRD表征得知在1300℃時產生過渡性玻璃相剛玉質，當燒結溫度達到1500℃時得到相對密度為93.94%、彎折強度為186.19MPa的莫來石陶瓷。

陳江峰[6]等利用高鋁粉煤灰為原料直接制得M50型莫來石以及高含鋁量粉煤灰與適量的工業(yè)Al2O3混勻后合成了M60型和M70型的莫來石，它的理化性能可達到我國燒結莫來石的行業(yè)標準要求，這很大程度地降低了制備成本。研究表明，用未經處理過的高含鋁量粉煤灰直接制備低型號莫來石（M50），它的適宜燒成溫度約為1400℃，用處理過的高含鋁量粉煤灰制備高型號莫來石（M60和M70），它們的適宜的燒結溫度約為1500℃；保溫時間對制備莫來石性能的影響遠小于燒結溫度對其的影響，縮短高溫下的保溫時間比延長低溫下的保溫時間更有利于莫來石晶相的生成。孫俊民[7]等利用工業(yè)固廢粉煤灰和工業(yè)Al2O3合成莫來石陶瓷材料研究，將處理后的粉煤灰與工業(yè)Al2O3粉按不同比例混料，經濕法磨細、模壓成型后，分別在高溫爐及高溫窯中燒結制得莫來石的試驗，獲得了M50、M60、M70這3個系列的莫來石品種。結果表明：當混料中的Al2O3含量為60%，燒成溫度為1575℃時，莫來石的晶體生成量達到峰值；其中M70型莫來石與M60型莫來石的理化性能均達到我國一級莫來石的基本標準，可以替代商業(yè)性莫來石材料用于工業(yè)生產中；M50型莫來石的理化性能基本等同于國內外同類產品。

李金紅[8]等以高鋁粉煤灰和鋁礬土為主要原料，以V2O5為添加劑，研究了V2O5的添加量對樣品的體積密度、孔隙率、抗彎強度、微孔結構的影響。實驗結果得知，添加5～10wt%的V2O5可以降低燒成溫度50℃；在燒成溫度為1500℃時，莫來石陶瓷的孔隙率和吸水率隨著的V2O5含量增加而明顯地降低。

劉晶[9]等以粉煤灰和Al（OH）3分別為硅鋁源，以MoO3為添加劑，采用原位反應燒結工藝制備微結構可控的晶須狀莫來石基陶瓷膜，同時通過調節(jié)MoO3含量和焙燒溫度來控制莫來石基陶瓷膜的多孔結構；結果顯示，在焙燒過程中，MoO3的添加使莫來石基陶瓷膜的二次致密化溫度由926℃延長至1445℃。結合XRD和SEM圖，MoO3通過在1100℃形成低熔點的CaMoO4，進而促進低溫液相的形成，降低二次莫來石化溫度。同時MoO3和CaMoO4的揮發(fā)為莫來石晶須的生長提供了充足的空間，促進了晶須的生長。陶瓷膜的開孔隙率隨著MoO3含量的增加而增加，最高達58%，孔徑隨之減小。在同一強度值水平，20wt%MoO3添加的陶瓷膜比未添加MoO3的莫來石基陶瓷膜擁有更高的開孔隙率。

2.2 堇青石基陶瓷材料 堇青石（化學式為2MgO·2Al2O3·5SiO2）具有低熱膨脹系數(shù)、高紅外輻射率、高熱穩(wěn)定性能、低密度、高力學強度、高抗熱震性等優(yōu)良性能，被廣泛用于高品質的耐火材料、凈化汽車高溫尾氣的催化劑載體材料以及紅外輻射材料等。

程偉明[10]等以粉煤灰為主要原料，成功合成了堇青石多孔陶瓷。XRD分析表明堇青石是材料中的主要晶相。EPMA的分析結果表明合成的多孔陶瓷中，堇青石的晶粒分布呈細小均勻，含晶量多達80%以上，它們與玻璃相交叉呈浸染狀，且兩者分布均勻。材料的開孔隙率達到了40%，內部的孔均勻分布且孔徑較大。該陶瓷抗熱震性能良好，1200～28℃水淬火循環(huán)37次不破裂。張謙[11]等采用處理后的粉煤灰為主要原料合成堇青石玻璃陶瓷。XRD分析結果顯示樣品的主晶相為堇青石，含量達到84.12%。粉煤灰堇青石玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)α1為2.80×10-6/℃（1000℃）。樣品經過在1200℃到室溫（空氣）的范圍分段淬火（溫度間隔為200℃）后，材料的彈性模量不但沒有下降，反而略有上升，表明材料抗熱震能力ΔT≈1200℃。熱抗震性能是堇青石材料的一項重要性能指標。

張學斌[12]等以粉煤灰為主要原料，以鋁礬土為添加劑，制得了以堇青石為主相的多孔性陶瓷材料。結果顯示，燒成溫度為1100～1350℃時，樣品的抗折強度由50 MPa增大至65MPa，且其熱膨脹系數(shù)由8.07×10-6/℃減小至4.21×10-6/℃。優(yōu)化后的燒結工藝為最高燒成溫度1300℃、保溫4h。樣品的孔隙率和孔徑均隨原料中造孔劑淀粉含量的增大而增大。在原料中添加40wt%的淀粉）可使制取的樣品的孔隙率為41.7%、平均孔徑為2.35μm和氮氣通量達到0.225m3m-2h-1bar-1。任祥軍[13]等以相似的配方在高于1150℃溫度下合成α-堇青石。優(yōu)化的條件下（1300℃×2h），彎曲強度為65MPa，僅低于工程陶瓷的致密性堇青石的強度標準70MPa，遠高于工程陶瓷的低密性堇青石的強度（13MPa），熱膨脹系數(shù)為4.21×10-6/℃，材料可以承受多達40次的熱震實驗（1200～28℃），可以滿足嚴酷的高溫環(huán)境下的應用。通過加入適量的淀粉制備出優(yōu)質的多孔陶瓷膜支撐體層，孔徑平均值為2.35μm，孔隙率約為42%，氮氣通量約為22500m3m-2h-1bar-1，遠超過了相同條件下的氮氣通量8800m3m-2h-1bar-1，此材料在高溫除塵與氣體凈化過濾器方面具有重大的應用價值。endprint

陳國華[14]等采用XRD、TGA和熱膨脹儀等方法探究了由幾種常見氧化物粉料（Al2O3、SiO2和MgO）制備堇青石陶瓷材料時，添加少量的Bi2O3對堇青石陶瓷晶相變化和理化性能的影響，分析得知Bi2O3在燒結過程中的作用機理是低溫產生液相有利于燒結。試驗表明，Bi2O3可以明顯地降低燒成溫度，在1250℃燒成并保溫3h后的陶瓷是由α-堇青石和少許的μ-堇青石組成。隨著Bi2O3添加量不斷增大，陶瓷的熱膨脹系數(shù)和致密度逐漸增大。當Bi2O3的質量分數(shù)為0.04時，原料中的石英相消失。Bi-O的膨脹系數(shù)較Si-O的大和Bi3+離子滲入堇青石晶格中是導致堇青石陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)變大的主要原由。

呂彥杰[15]等利用80wt%的粉煤灰和少量的工業(yè)氧化鋁、氧化鎂制備堇青石陶瓷，準確掌握堇青石的形成過程，采用X射線衍射儀測定了不同溫度條件下材料的物相組成，采用電子探針技術觀察了材料的顯微結構，通過對比分析找出了堇青石形成規(guī)律，證實堇青石并非由原料發(fā)生固相反應直接生成，而是在1250～1300℃從熔融玻璃液相中富Mg區(qū)域析出，堇青石晶相的形成主要是以如下兩種不同的途徑制得：①5SiO2+2MgO·Al2O3=Mg2Al3[AlSi5O18]和②MgO·SiO2+SiO2+MgO·Al2O3+（3Al2O3·2SiO2）→Mg2Al3[AlSi5O18]。

邢祺瑞[16]等以粉煤灰：工業(yè)Al2O3：滑石粉=1：0.2：0.8的配料比例，分別將其煅燒至1100℃、1200℃、1350℃并保溫2個小時后制得堇青石的實驗研究。主要分析了燒結樣品里堇青石相的生成，雜質組分對燒結產品的影響。RO/R2O型氧化物是造成試樣在1350℃下融熔的原因。CaO含量（12.75%）過高，反應過程中Ca2+取代Mg2+，是導致鈣長石相的大量生成的原因。堇青石的相在1100℃左右開始生成，隨著溫度增加物相逐漸增多，同時CaO是抑制堇青石相生成的主要雜質。

萬媛媛[17]等以粉煤灰為主要原料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的礦物原料，在化學計量比點成功地合成了堇青石微晶玻璃。XRD結果表明，堇青石為微晶玻璃的主晶相，且最優(yōu)合成條件為1270℃下保溫4h。EPMA結果表明，堇青石晶粒呈細小狀且彌散在玻璃相中，粉煤灰中的雜質可作為燒結助劑有利于降低燒結溫度，并使合成的溫度范圍變寬。堇青石微晶玻璃抗熱震性能受堇青石相含量、開孔隙率、燒成制度等多方面因素的影響，即開氣孔率越大、堇青石相含量越高對應的樣品的熱膨脹系數(shù)越小和抗熱系數(shù)就越好，經試驗可得陶瓷熱震次數(shù)最多達到26次。

2.3 鈣長石基陶瓷材料 鈣長石（化學式為CaO·Al2O3·2SiO2）是一種富鈣鋁硅酸鹽礦物，通常為板狀或柱狀晶體，呈白色或灰色。它具有較高的熔點（1550℃）、較低的熱膨脹系數(shù)（4.83×10–6/℃）、熱導率低[3.68W/（m·K）]和較好的抗熱震性能，以鈣長石為主晶相的多孔陶瓷材料應用在高溫氣固分離方面具有獨特優(yōu)勢。因而以鈣長石為主晶相的多孔陶瓷在污水處理、吸聲材料、高溫氣固分離、高溫隔熱保溫等方面的應用極具優(yōu)勢。

宋明光[18]等以高鈣性粉煤灰為原料直接熔融制得了主相鈣長石的陶瓷材料，不需要其他添加劑；研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰中Fe2O3、TiO2等微量金屬氧化物在熱處理過程中可作為鈣長石晶相的成核誘導劑。

劉晶[9]等以粉煤灰為原料，通過改變添加白云石的含量，研究了產物陶瓷膜的主相和空隙率；結果顯示添加了28.43wt%白云石之后，產物的主相為鈣長石，并且樣品的二次致密化溫度被延長至1100℃，比未添加的1059℃提高了40℃；由于添加劑白云石在加熱過程中會產生CO2，從而有利于陶瓷膜的造孔，使樣品的開孔隙率達到（46.54±0.21）%，而未添加白云石樣品的開孔隙率只有（25.23±0.47）%。

游世海[20]等以高鈣粉煤灰為主要原料、蘭炭為造孔劑，配以少量膨潤土為黏結劑，采用高溫固相燒結法合成了以鈣長石為主晶相的多孔陶瓷。結果顯示，當燒成溫度為1140℃、保溫時間為90min、造孔劑含量為35wt%時，多孔陶瓷材料能兼顧較高數(shù)值的孔隙率和機械強度，分別是58.08%和9.41MPa。

何曼[20]等以粉煤灰和高爐渣為主要原料，以鈉長石作為添加劑，在1160℃下燒結制得了以鈣長石為主相的陶瓷材料；測試結果顯示，樣品的體積密度為2.39g·cm-3，維氏硬度為9.6GPa，熱膨脹系數(shù)為7.6×10-6/℃。研究同時還發(fā)現(xiàn)，鈣長石晶體通過低溫下的“形核-生長”和高溫下的“分相”2種方式形成，通過加大升溫速率和增長晶化時間均可以使得樣品中的鈣長石含量增加。

2.4 硅灰石基陶瓷材料 硅灰石（化學式為CaO-SiO2）系為偏硅酸鈣，天然硅灰石礦的外觀顏色常為白色、灰白色和乳白色，它的常見形狀有纖維狀、短柱狀和塊狀，硅灰石呈兩種形式存在：α-CaO-SiO2和β-CaO-SiO2。硅灰石的比重約為2.8×103～3.0×103kg·m-3，莫氏硬度約為5.5，熔點為1540℃，α-CaO-SiO2的線性膨脹系數(shù)和β-CaO-SiO2的線性膨脹系數(shù)分別為11.8×10-6℃-1和6.5×10-6℃-1。天然硅灰石比合成硅灰石在工業(yè)中的應用范圍較大，其成本也相對便宜10～20倍。

侯博智[21]等以粉煤灰和礦粉為原料，制備空心微珠坯體，坯體中粉煤灰添加量分別為12.5wt%、25.0wt%、37.5wt%和50.0wt%，將空心微珠的坯體進行堆燒，制備多孔陶瓷。用SEM、XRD、XRF及EPMA分析樣品的微觀形貌和物相組成。實驗結果表明：隨著粉煤灰含量的增加，多孔陶瓷材料的比重變大、孔隙率減小和抗壓強度增大。多孔陶瓷的主晶相為硅灰石相，同時含有少量的輝石相。當粉煤灰含量為25.0%、空心微珠坯體在1000℃燒結時，多孔陶瓷樣品體積密度為1.94g/cm3，抗壓強度為163.20MPa。endprint

彭長浩[22]等以粉煤灰和廢玻璃為主要原料，以CaO為添加劑，采用粉料直接燒結-晶化法制取具有單晶相β-硅灰石結構的CAS系的無機陶瓷材料，研究表明當晶化溫度達1100℃時，抗折強度達81.5MPa，其配方成分為60wt%廢玻璃、25wt%粉煤灰、15wt%CaO。

姚樹玉[23]以粉煤灰為主要原料，以BaO為添加劑，采用固態(tài)粒子燒結法制備了CAS系硅灰石為主晶相的陶瓷材料。利用XRD分析了陶瓷材料晶相類型，利用電子探針-能譜分析的方法分析了材料的晶相組成、組織結構及玻璃基體中的氧與硅比例。結果表明，BaO的添加量由2wt%增至5.77wt%時，氧硅的比值由2.80增至2.91；提高氧硅比例不僅可以降低硅氧四面體網(wǎng)絡的連接程度，還可以降低高溫時的粘度及燒結最高溫度。分析結果顯示制備的無機陶瓷材料出現(xiàn)硅灰石相單一的衍射峰，無機陶瓷材料中的晶相EDS 能譜圖中僅僅包含Ca、Si、O3種元素，其中對應的原子比例系數(shù)接近1：1：3，化學式表達為CaSiO3；BaO添加量變化并沒有改變無機陶瓷材料主晶相的種類，均為單一的硅灰石晶體。

陳建[24]等以預處理后的粉煤灰為主要原料，采用燒結法制備了硅灰石陶瓷材料。利用DTA、XRD和SEM分析方法研究了熱處理制度、硅鈣渣用量對陶瓷材料的晶化過程、顯微結構及物化性能的影響。結果表明：核化時間與晶化時間的延長有助于硅灰石晶體的定向生長與緊密排列，對微晶玻璃的力學性能影響顯著，而晶化溫度與核化溫度的影響則相對較?。浑S著硅鈣渣的用量增加，微晶玻璃中硅灰石的析出能力增強，當其用量為70.98%，在800℃下核化熱處理90min，920℃晶化處理90min時，可制備出單一晶相的硅灰石陶瓷材料。

2.5 Si基復合陶瓷材料 近年來，利用粉煤灰合成的Si基復合陶瓷材料的研究報道越來越多，較為常見的方法是用碳熱還原法將粉煤灰進行還原，制備出高性能的SiC/Al2O3復合陶瓷、SiALON復合陶瓷等，Si基復合陶瓷材料具備多種材料的結構和功能，具有廣泛的應用領域。

2.5.1 Si C/Al2O3復合陶瓷材料 碳化硅材料是一種硬質超大的無機陶瓷材料，可應用于研磨材料、生物材料、隔熱材料、耐火材料、非線性電阻、避雷器和電熱體等。李紫勇[25]等在氬氣氣氛下，以粉煤灰為主要原料，以石墨為還原劑，研究碳還原粉煤灰制得了Si C/Al2O3系復合材料的反應機理，并探索其制備的工藝條件。利用X射線衍射分析還原產物的物相變化規(guī)律，使用掃描電鏡和能譜儀觀察復合材料的微觀結構。結果表明：在1673K粉煤灰中石英相與碳反應生碳化硅，1773K莫來石相基本分解完全。隨著反應溫度的升高，生成碳化硅和氧化鋁含量增加，較合適的溫度條件為1773～1873K；保溫時間的延長，有利于碳化硅和氧化鋁的生成，較好的保溫時間為3～4h；增加配碳量對碳化硅和氧化鋁的生成有促進作用，較合適的C/Si摩爾比為4～5。在制備出的Si C/Al2O3復合材料中碳化硅在產物中分散較為均勻，并且粒度小于20μm。周忠華[26]以預處理后的低鋁粉煤灰利用熱還原法制取高純度的Si C陶瓷材料和少許的Al2O3，通過大量的單因素實驗結果分析得知，熱還原反應溫度應在1600℃以上、石墨、活性炭、焦炭和炭黑都可作為還原劑制取碳化硅、C/Si的摩爾理想比值為3～3.5、脫碳條件為溫度650～750℃下保溫1h。

2.5.2 SiALON復合陶瓷材料 SiALON陶瓷[27]是1971年由日本及英國研究者所發(fā)現(xiàn)并迅速發(fā)展起來的一類Si-Al-O-N四元系的高溫性結構材料。由于其優(yōu)良的熱學性能、化學穩(wěn)定性和力學性能，可以作為高溫結構無機材料廣泛用在冶金、運輸、建材、食品、交通、醫(yī)學、化工、機械、航空航天等領域。單相SiALON包括α′-SiALON、

O′-SiALON、β′-SiALON、AlN-多型體和X-SiALON相。李金洪[28]等以39.03wt%Al2O3、48.13wt%SiO2的粉煤灰為主要原料，以活性碳為還原劑，利用碳熱氮化還原法合成了SiALON材料。研究結果發(fā)現(xiàn)，按SiALON的化學計量比值添加適量Al2O3粉和活性碳23%，氮氣流量為2L·min-1，燒結最高溫度1450℃，保溫時間6h，可制得z=3的純晶相β-SiALON粉體，其粒子均勻且形態(tài)規(guī)則。曹瑛[29]等以粉煤灰和硅粉為主要原料，在具有流動性的N2氣環(huán)境中，利用硅熱還原氮化法制備β-SiALON和O′-SiALON含量較高的復合粉體，研究結果表明，1450℃時產物中β-SiALON成分最多，而O′-SiALON則最少，當硅粉添加量為超過理論值的10wt%，控制其氮化溫度為1450℃，時長為6h，可以合成β-SiALON和O′-SiALON為主要物相的粉體材料，占總含量的85.6wt%，另外還生成少量的莫來石、Si2N2O和Si3O4等；SiALON形狀多為聚集花瓣狀，也呈現(xiàn)了少量的Si3N4纖維。

3 總結與展望

本文主要綜述了粉煤灰的理化特性及以其為主要原料制備無機陶瓷材料的工藝、表征參數(shù)、工業(yè)化應用。由于粉煤灰中含有各種不同含量的氧化物，是合成不同晶相的主要成分，根據(jù)不同主晶相的氧化物比例系數(shù)而添加或除去粉煤灰中的氧化物，因此可以利用固體廢棄物粉煤灰制備無機陶瓷材料，不僅節(jié)省了礦產資源、減少粉煤灰對生態(tài)環(huán)境的污染也降低傳統(tǒng)無機陶瓷材料的生產成本，為粉煤灰的綜合利用提供理論基礎。

以粉煤灰作為主要原料制備不同性能的無機陶瓷材料具有廣闊的應用領域，有厲于優(yōu)化中國重工業(yè)的產業(yè)結構，使大多數(shù)企業(yè)轉型為環(huán)保型企業(yè)。目前由于粉煤灰運輸以及加工成本高，導致粉煤灰陶瓷材料的價格居高不下。另外，不同地區(qū)煤礦成分存在一定的差異性且所含雜質較多，使得粉煤灰制備出單一晶相無機陶瓷材料的工藝難度加大，同時大多數(shù)陶瓷產品為黑色或暗色，在很大程度上限制了陶瓷產品的推廣與使用。因此，科研人員們需要進一步地加快研究步伐，盡快地實現(xiàn)粉煤灰制備無機陶瓷材料的高效、合理利用，從而更好地為中國的經濟可持續(xù)發(fā)展服務。隨著科學技術的發(fā)展，節(jié)約資源理念和環(huán)保意識的不斷加強，以無害化、資源化、減量化為主要原則，以開發(fā)高附加值、多功能的新材料為目標，探索固體廢棄物循環(huán)再利用的新方法備受大家的高度關注。利用粉煤灰合成無機陶瓷材料是一個較為復雜的理化反應過程，這使得利用粉煤灰合成高溫陶瓷材料的能耗大，成本高，工藝技術路線復雜，合成產品質量的穩(wěn)定性難于控制，導致粉煤灰合成高溫陶瓷材料的工業(yè)化應用水平不高，及其綜合利用率也較低。因此，未來我們應該在當前國內外研究應用的基礎上，積極探求利用粉煤灰合成不同主相的陶瓷材料的熱力學合理參數(shù)和優(yōu)良工藝技術路線，降低陶瓷材料的合成成本，提高陶瓷材料的性能與品位，有利于加快合成的高溫陶瓷材料實現(xiàn)工業(yè)化，并且提高其附加值，從而帶來了更多的經濟效益。endprint

參考文獻

[1]錢均新.高溫陶瓷膜除塵器在粉煤灰循環(huán)應用工藝上的研究[J].有色設備，2014（2）：13-14.

[2]林濱，李少鵬，侯新娟，等.工藝條件對高鋁粉煤灰制備莫來石性能的影響[J].硅酸鹽通報，2015，34（6）：1459-1464.

[3]Yingchao-Dong，Stuart Hampshire，Jian-er Zhou.Recycling of fly ash for preparing porous mullite membrane supports with titania addition [J].Journal of Hazardous Materials，2010，180：173-180.

[4]Yingchao-Dong，Xuyong-Feng，Xuefei-Feng.Preparation of low-cost mullite ceramics from natural bauxite and industrial waste fly ash [J].Journal of Alloys and Compounds，2008，460：599-606.

[5]Yingchao-Dong，Stuart Hampshire，Jian-er Zhou.Sintering and characterization of fly ash –based mullite with MgO addition [J].Journal of European Ceramic S℃iety，2011，31：687-695.

[6]陳江峰，邵龍義，魏思民.利用高鋁粉煤灰合成莫來石的實驗研究[J].礦物學報，2008，28（2）：191-195.

[7]孫俊民，程照斌，李玉瓊，等.利用粉煤灰與工業(yè)氧化鋁合成莫來石的研究[J].中國礦業(yè)大學學報，1999，28（3）：247-250.

[8]Jin-hong Li，Hong-Wen Ma，Wen-Hui Huang.Effect of V2O5 on the properties of mullite ceramics synthesized from high-aluminum fly ash and bauxite [J].Journal of Hazardous Materials，2009，166：1535-1539.

[9]劉晶，董新法.低成本固廢基無機陶瓷膜的反應制備與性能研究[D].廣州：華南理工大學，2015：40-56.

[10]程偉明，何涌，雷文.粉煤灰堇青石多孔微晶玻璃的初步研究[J].科學與應用，2002，32（7）：6-8.

[11]張謙，何涌.粉煤灰堇青石玻璃陶瓷的抗熱震性能[J].中國陶瓷，2008，44（5）：38-41.

[12]Zhang Xuebin，Ren Xiangjun，Wang Songlin.Preparation and characterization of porous cordierite ceramics from fly ash [J].Journal of the cheinese ceramic s℃iety，2006，34（2）：247-250.

[13]任祥軍，孟廣耀.多孔陶瓷膜材料的研制及在氣固分離中的應用研究[D].合肥：中國科學技術大學，2005：42-59.

[14]陳國華，劉心宇.Bi2O3對堇青石陶瓷的燒結行為、相變和熱膨脹性能的影響[J].中國陶瓷工業(yè)，2003，10（2）：32-34.

[15]呂彥杰，何涌.粉煤灰堇青石微晶玻璃中堇青石的形成過程研究[J].同煤科技，2007，114（4）：26-29.

[16]邢琪瑞，陳江峰.景泰電廠粉煤灰燒結合成堇青石研究[J].河南理工大學，2014：43-59.

[17]萬媛媛，張志龍.粉煤灰合成堇青石微晶玻璃的性能研究[J].武鋼技術，2006，44（4）：31-34.

[18]宋明光，羅蒙蒙，王群英，等.高鈣粉煤灰應用于玻璃陶瓷材料探索[J].科學技術與工程，2017，17（13）：303-306.

[19]游世海，鄭化安，付東升，等.粉煤灰合成鈣長石多孔陶瓷的結構與性能[J].硅酸鹽學報，2016，44（12）：1719-1723.

[20]何曼，盧紅霞.微晶玻璃釉的制備及晶化行為研究[D].鄭州：鄭州大學，2012：19-37.

[21]侯博智，蘇振國，高宏，等.粉煤灰空心微珠多孔陶瓷的結構與性能[J].硅酸鹽學報，2015，43（12）：1747-1752.

[22]彭長浩，盧金山.利用廢玻璃和粉煤灰制備鈣鋁硅微晶玻璃及其性能[J].材料熱處理學報，2012，33（10）：33-34.

[23]姚樹玉，霍文龍，裴中愛，等.BaO含量對粉煤灰制備硅灰石微晶玻璃的影響[J].材料熱處理學報，2014，35（1）：22-27.

[24]陳建，馬鴻文，蔣周青，等.高鋁粉煤灰提鋁硅鈣渣制備硅灰石微晶玻璃研究[J].硅酸鹽通報，2016，35（9）：2898-2903.

[25]李紫勇，吳春晗，郁青春，等.碳還原粉煤灰制備SiC/Al2O3系復合材料[J].工程科學學報，2016，38（6）：834-840.

[26]周忠華.用鋁回收后的粉煤灰殘渣制備碳化硅[J].粉煤灰綜合利用，2005，37（6）：53-54.

[27]李素平，孔宏巍，賈曉林，等.Sialon基陶瓷材料的研究進展及應用[J].金剛石與磨料磨具工程，2012，135（3）：75-77.

[28]李金洪，馬鴻文，吳秀文，等.利用高鋁粉煤灰合成β-SiALON 粉體的實驗研究[J].巖石礦物學雜志，2005，24（6）：643-647.

[29]曹瑛，李衛(wèi)東，李金洪，等.硅熱還原氮化法粉煤灰制備SiALON 粉體的研究[J].礦物巖石地球化學通報，2006，25（4）：357-361.

（責編：張宏民）endprint