于 志 李 淼 高金星 徐恩霞
鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院河南省高溫功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南鄭州450052
近年來(lái),二氧化鈦已成為光催化、環(huán)境保護(hù)和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域重要的功能材料[1-3]。自然界中的TiO2有鈦礦型、金紅石型、銳鈦礦型3種晶體形態(tài),其中,金紅石型TiO2具有較高的熔點(diǎn)(1 850℃),因此,在耐火材料領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。在本文中,主要介紹TiO2在耐火材料中的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展。
Al2O3-SiO2系材料是應(yīng)用最為廣泛的一類耐火材料,其原料高鋁礬土中通常存在有少量的TiO2,將其煅燒后TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為2% ~4%,個(gè)別的高達(dá)10%[4-6]。鐘香崇[7]認(rèn)為,在高鋁礬土煅燒過(guò)程中TiO2有3種存在方式:1)與剛玉和莫來(lái)石形成固溶體;2)與Al2O3形成鈦酸鋁;3)進(jìn)入玻璃相。王金相等[8]認(rèn)為將高鋁礬土進(jìn)行煅燒后有62% ~94%(w)的TiO2進(jìn)入結(jié)晶相,其余部分進(jìn)入玻璃相。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為,在Al2O3-SiO2系耐火材料的煅燒過(guò)程中,TiO2能夠與Al2O3形成Al2TiO5并固溶在晶格中,當(dāng)添加TiO2的含量低于其在材料中的固溶度時(shí),則對(duì)材料的燒結(jié)起促進(jìn)作用;反之,會(huì)對(duì)材料的燒結(jié)產(chǎn)生阻礙。文獻(xiàn)[5]通過(guò)對(duì)Al2O3-SiO2-TiO2相圖研究后指出,少量TiO2的存在對(duì)黏土質(zhì)耐火材料制品高溫蠕變性能無(wú)明顯影響;但當(dāng)TiO2含量過(guò)多時(shí),對(duì)材料的高溫蠕變性能有所不利。
為了改善剛玉或莫來(lái)石材料的燒結(jié),王秉軍[10]以電熔白剛玉、α-Al2O3、單質(zhì)Si和銳鈦礦型TiO2為原料,其中,電熔白剛玉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%、α-Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、單質(zhì)Si外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%~6%、銳鈦礦型TiO2的外加量為6%(w),在空氣氣氛中于1 550℃保溫3 h燒成。研究發(fā)現(xiàn),外加的單質(zhì)硅和TiO2與原料發(fā)生反應(yīng),生成莫來(lái)石和鈦酸鋁,并產(chǎn)生少量的液相,促進(jìn)了材料的燒結(jié),改善了材料的力學(xué)性能。謝威等[11]以分析純Al(OH)3、SiO2和TiO2為原料,分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、2%、4%、6%、8%和10%的TiO2,在1 650℃保溫3 h燒結(jié)。研究發(fā)現(xiàn),適量的TiO2有促進(jìn)莫來(lái)石合成的作用,TiO2最佳的添加量為6%(w),當(dāng)TiO2的含量低于6%(w)時(shí),促進(jìn)效果較差,莫來(lái)石的合成率較低;當(dāng)TiO2的含量高于6%(w)時(shí),則會(huì)生成Al2TiO5進(jìn)而阻礙燒結(jié),使材料的致密性變差。李坤鵬[12]以燒結(jié)莫來(lái)石、紅柱石和氧化鋁微粉為主要原料,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1.6%、3.2%、4.8%和6.4%的TiO2,在1 430℃保溫3 h進(jìn)行燒成。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),TiO2的引入促進(jìn)了材料的燒結(jié),隨著加入量的增加,試樣顯氣孔率逐漸降低,體積密度逐漸增加,抗折強(qiáng)度逐漸增加,在加入量為3.2%(w)后趨于不變。
當(dāng)鎂質(zhì)材料中含有少量TiO2時(shí),高溫下的TiO2主要以固溶體的形式分布在結(jié)晶相內(nèi)[13]。王春新等[14]以工業(yè)氧化鋁和輕燒氧化鎂粉為原料,采用電熔法合成鎂鋁尖晶石材料,研究了添加TiO2對(duì)材料物相組成和顯微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示,添加的TiO2與原料中的MgO發(fā)生反應(yīng)生成Mg2TiO4并固溶在鎂鋁尖晶石當(dāng)中,但過(guò)量的Mg2TiO4位于晶界時(shí)阻礙了鎂鋁尖晶石的長(zhǎng)大。因此,TiO2加入量不能超過(guò)5%(w)。張智慧等[15]以α-Al2O3、分析純的MgO為主要原料,TiO2加入量(w)分別為0、1%、2%和4%,研究了1 400、1 500、1 600℃保溫3 h后材料的燒結(jié)情況。結(jié)果表明,隨著TiO2加入量的增加,試樣的顯氣孔率逐漸降低,體積密度則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。員文杰等[16]以片狀氧化鋁以及氧化鎂為原料,TiO2加入量(w)分別為3%、6%,研究了1 200、1 300、1 400和1 500℃保溫5 h后材料的燒結(jié)狀況。研究發(fā)現(xiàn),未加入TiO2的空白試樣經(jīng)1 500℃燒后,產(chǎn)物中的鎂鋁尖晶石的含量為39%(w);添加6%(w)TiO2的試樣生成鎂鋁尖晶石的含量為74%(w),說(shuō)明TiO2的加入可以顯著提高鎂鋁尖晶石的生成量。鄒明等[13]在MgO-Al2O3材料中加入適量的TiO2。結(jié)果表明,TiO2引入利于形成鎂鋁尖晶石和鈦酸鎂固溶體(MAM2T),使得顯氣孔率降低,體積密度增加,提高了材料的力學(xué)性能。羅旭東等[17]以電熔鎂砂和氧化鋁微粉為主要原料,外加0.5%、1%、1.5%及2%(w)的二氧化鈦,在1 100和1 500℃保溫2 h后發(fā)現(xiàn):隨著二氧化鈦和鋁鈦渣加入量增加,試樣的顯氣孔率逐漸增大。這是由于TiO2促進(jìn)了鎂鋁尖晶石的合成,而鎂鋁尖晶石的形成伴隨著體積膨脹。
在鐵鋁尖晶石合成的研究中,文獻(xiàn)[18-19]認(rèn)為,TiO2的加入可以促進(jìn)鐵鋁尖晶石的形成。陳俊紅[18]以分析純Al2O3、Fe2O3為原料,分別外加0、1%、3%和5%(w)的TiO2在保護(hù)氣氛下(CO2CO)于1 550℃保溫5 h煅燒。研究發(fā)現(xiàn):TiO2參與了鐵鋁尖晶石的結(jié)晶和生成,并對(duì)其形貌產(chǎn)生影響,當(dāng)TiO2的含量>3%(w)時(shí)會(huì)對(duì)鐵鋁尖晶石的形成產(chǎn)生阻礙。馬淑龍等[19]以α-Al2O3粉、氧化鐵粉、石墨為主要原料,分別引入0、2%、5%和8%(w)的TiO2,在氮?dú)鈿夥罩蟹謩e于1 400、1 450、1 500和1 550℃保溫4 h煅燒。研究發(fā)現(xiàn):在合成溫度為1 450℃時(shí)原料中的鐵粉基本轉(zhuǎn)換為鐵鋁尖晶石,說(shuō)明TiO2的引入降低了鐵鋁尖晶石的合成溫度,提高了合成率。
在含碳耐火材料中引入的TiO2在高溫下通常被還原成TiC、TiN和Ti(C,N),對(duì)提高含碳耐火材料的抗氧化性能具有良好作用。因此,TiO2在含碳耐火材料中的反應(yīng)過(guò)程被眾多學(xué)者所研究。
關(guān)于TiO2-C體系的反應(yīng)原理及反應(yīng)產(chǎn)物,劉彥祥等[20]通過(guò)對(duì)TiO2-C體系在Ar和N2氣氛下熱處理過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn),隨著溫度的增加,TiO2-C體系在Ar氣氛下依次發(fā)生的還原反應(yīng)是TiO2→Ti3O5(初始反應(yīng)溫度1 167.5 K),TiO2→Ti2O3(初始反應(yīng)溫度1 317.5 K);TiO2-C體系在N2氣氛下的反應(yīng)分3個(gè)階段:溫度<1 523 K時(shí),TiO2主要進(jìn)行還原反應(yīng);溫度在1 523~1 723 K時(shí),TiO2開(kāi)始發(fā)生還原氮化反應(yīng)生成中間產(chǎn)物Ti(CON)固溶體;溫度>1 723 K時(shí),中間產(chǎn)物固溶體則不再存在,完全氮化為TiN。
向道平[21]以TiO2和炭黑為原料研究其碳熱還原氮化反應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),反應(yīng)過(guò)程是逐步進(jìn)行的:第一反應(yīng)階段主要是固-固反應(yīng),在反應(yīng)體系中氮?dú)饬枯^少時(shí)依次發(fā)生的還原反應(yīng)為TiO2→TinO2n-1(n>10)→TinO2n-1(4≤n≤10)→Ti3O5→Ti2O3;在反應(yīng)體系中氮?dú)饬枯^多時(shí),中間產(chǎn)物Ti2O3將不再產(chǎn)生。第二反應(yīng)階段發(fā)生氣-固碳氮化反應(yīng),在反應(yīng)體系中氮?dú)饬枯^少時(shí),Ti3O5→Ti(N,O);當(dāng)有剩余的Ti3O5時(shí),依次發(fā)生如下反應(yīng):Ti3O5→Ti2O3→Ti(C,O);最后Ti(N,O)和Ti(C,O)相轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏wTi(C,N,O)。第三反應(yīng)階段是非金屬原子C、N與Ti(C,N,O)或Ti(N,O)相之間的置換反應(yīng),最終形成Ti(C,N)相。
劉青才等[22]研究發(fā)現(xiàn),TiO2與C反應(yīng)形成TiC后使材料的抗氧化性提高,而且TiC熔點(diǎn)高,加上非氧化物與熔渣的侵潤(rùn)性較差,進(jìn)而使耐火材料抗渣侵蝕的能力提高。但是,TiO2加入量太高,會(huì)使耐火材料燒結(jié)溫度降低太多,而且燒結(jié)過(guò)程中,部分多余的TiO2不能與C作用形成高熔點(diǎn)的TiC均勻結(jié)構(gòu),而易與CaO雜質(zhì)和Al2O3形成低熔點(diǎn)物。過(guò)多的TiO2還原會(huì)產(chǎn)生大量氣孔而使耐火材料抗侵蝕能力變差。
李享成等[23]以不同粒度的石墨和剛玉為原料,選用酚醛樹(shù)脂為結(jié)合劑,以Si粉、Al粉和SiC微粉為抗氧化劑,研究不同含量的TiO2對(duì)Al2O3-C質(zhì)耐火材料性能的影響。結(jié)果表明,隨著TiO2含量的增加,Al2O3-C質(zhì)耐火材料的顯氣孔率和耐壓強(qiáng)度逐漸增加,體積密度變化不大;添加1%(w)的TiO2有助于提高Al2O3-C質(zhì)耐火材料的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能。別傳玉等[24]在Al2O3-C材料中引入適量的TiO2,在燒成過(guò)程中與原料中的石墨發(fā)生反應(yīng)形成了Ti(C,N)相,使基質(zhì)內(nèi)碳化硅晶須和Ti(C,N)相的分布更加均勻,在一定的程度上優(yōu)化了材料的孔結(jié)構(gòu),提高了熔渣的黏度。當(dāng)Al2O3-C質(zhì)耐火材料與熔渣發(fā)生反應(yīng)時(shí),延緩了熔渣對(duì)材料的侵蝕,提高了材料的抗侵蝕性能。Aneziris等[25]以氧化鎂顆粒、細(xì)粉和石墨為原料,添加TiO2和TiO2Al后,于1 300℃保溫2 h。在樣品中發(fā)現(xiàn)有TiCN和TiC相形成。這些碳化物在一定程度上可以改善基體的抗氧化性、力學(xué)強(qiáng)度及耐磨性。董倩等[26]通過(guò)對(duì)Al-TiO2-C-ZrO2系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)燃燒合成最終平衡產(chǎn)物應(yīng)為Al2O3、TiC和ZrO2。尹玉成等[27]在Al2O3-SiC-C澆注料常規(guī)配方中加入6%(w)的TiO2,探究在體系中是否可以合成碳氮化鈦。試樣在埋碳?xì)夥障路謩e在1 100、1 200、1 300、1 400、1 500℃煅燒3 h。研究發(fā)現(xiàn),在1 200℃時(shí),硅粉與石墨發(fā)生反應(yīng)生成碳化硅;在1 300℃時(shí),TiO2被還原成Ti3O5,并生成鈣鋁石榴石;在1 400℃時(shí),發(fā)生還原氮化反應(yīng)生成莫來(lái)石以及碳氧化鈦??梢?jiàn),通過(guò)碳熱還原氮化反應(yīng)可以在Al2O3-SiC-TiO2-C澆注料中原位生成C-TiN。
本世紀(jì)以來(lái),含氮化物的一類非氧化物材料被廣泛研究并在耐火材料中成功應(yīng)用。李素平等[28]以煤矸石為原料、炭黑為還原劑,分別加入(w)0、2%、4%、6%、8%、10%、15%和20%的TiO2,在氮?dú)鈿夥罩蟹謩e于1 350、1 400、1 450、1 500和1 550℃煅燒6 h,測(cè)定了燒后試樣的質(zhì)量損失率、物相組成,研究引入TiO2對(duì)煤矸石還原氮化的作用。結(jié)果表明,TiO2的加入有利于煤矸石還原氮化轉(zhuǎn)變成β-SiAlON,并能促進(jìn)β-SiAlON晶粒的生長(zhǎng)發(fā)育。
李素平等[29-30]討論了Al作為還原劑還原氮化TiO2制備復(fù)相TiN-Al2O3的可行性,研究了燒結(jié)溫度為1 100~1 500℃時(shí)TiO2和金屬Al粉經(jīng)還原氮化后試樣的物相變化和顯微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:在合成溫度為1 100℃時(shí),試樣已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生還原氮化反應(yīng),合成產(chǎn)物中生成了少量的AlN和TiN;隨著合成溫度的增加,還原氮化反應(yīng)越徹底,在1 350℃合成氮化反應(yīng)基本完成,此時(shí)合成產(chǎn)物中只有TiN和Al2O3;在燒結(jié)溫度為1 400~1 500℃時(shí),剛玉晶粒和TiN逐漸發(fā)育和長(zhǎng)大。劉新等[31]以硅粉、鋁粉和活性氧化鋁微粉為原料,外加2%、4%、6%、8%(w)的TiO2,在氮?dú)鈿夥障掠? 450和1 500℃煅燒2 h制備β-SiAlON材料。結(jié)果表明:TiO2對(duì)試樣的物相組成有顯著的影響,隨著TiO2加入量的增加,α-Si3N4和α-Al2O3的含量也逐漸增加,這表明了TiO2的引入可以促進(jìn)Si的氮化,同時(shí)降低了Al2O3在Si3N4中的固溶程度;少量的TiO2可以提高試樣的體積密度,改善材料的力學(xué)性能。另外,添加適量TiO2可以細(xì)化β-SiAlON晶粒,并降低其燒結(jié)溫度,最佳的加入量為2%(w)。
王妍月等[32]以金屬Al粉、單質(zhì)Si粉、α-Al2O3粉為主要原料,外加4%(w)TiO2作為助燒結(jié)劑,在氮?dú)鈿夥障掠? 350、1 400、1 450、1 500和1 550℃保溫3 h制備β-SiAlON陶瓷。結(jié)果表明,當(dāng)燒結(jié)溫度<1 500℃時(shí),TiO2的引入可以明顯增加β-SiAlON的生成量;當(dāng)燒結(jié)溫度>1 500℃時(shí),引入添加劑TiO2的試樣和空白試樣相比,β-SiAlON的生成量基本一致。這表明TiO2的引入降低了氮化燒結(jié)溫度。Nekouee等[33]把Si3N4、Al2O3、AlN和TiO2粉末用作前驅(qū)體,將起始粉末在高能球磨機(jī)中混合,然后通過(guò)SPS方法(在1 750℃,30 MPa的壓力下燒結(jié)12 min)進(jìn)行燒結(jié)。結(jié)果顯示:生成的 β-SiAlON 相組成為Si4Al2O2N6。添加的TiO2與Si3N4反應(yīng)生成TiN,且TiN均勻分布在整個(gè)β-SiAlON基質(zhì)中。
Krnel等[34]以Si3N4粉末、鈦酸四丁酯、無(wú)水乙醇和蒸餾水為原料,在Si3N4粉末上通過(guò)溶膠-凝膠法由鈦酸四丁酯制備TiO2涂層,用涂有納米二TiO2的Si3N4粉末制備O’-SiAlON/TiN納米復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)涂覆的Si3N4粉末經(jīng)過(guò)1 200℃保溫1 h后TiO2與Si3N4反應(yīng)形成TiN,小的TiN晶??梢?jiàn)于大的Si3N4晶粒表面;經(jīng)過(guò)1 850℃保溫2 h后由TiO2原位形成TiN,小的納米TiN晶粒長(zhǎng)大,晶粒聚集且致密化。
王振峰等[35]研究了含TiO2熔渣對(duì)SiAlON結(jié)合SiC耐火材料的侵蝕行為。結(jié)果表明:當(dāng)熔渣含有TiO2時(shí),雖然其含量?jī)H為1.05%(w),但在SiC的表面原位生成了碳化鈦或氮化鈦的保護(hù)層,不僅能提高材料的致密性,而且能保護(hù)碳化硅顆粒延緩熔渣的侵入,進(jìn)而延長(zhǎng)材料的使用壽命。
在耐火澆注料中加入適量的二氧化鈦可以促進(jìn)澆注料中六鋁酸鈣(CA6)的生成,從而對(duì)澆注料的性能產(chǎn)生影響[36]。主要是由于TiO2的加入降低了六鋁酸鈣(CA6)的生成溫度,促進(jìn)CA6的形成,同時(shí),Ti4+取代了Al3+固溶在CA6中,改變了其晶胞參數(shù),影響了晶粒的生長(zhǎng)趨勢(shì),趨向于厚度方向的生長(zhǎng)。張丹洋等[37]以活性氧化鋁微粉、鋁酸鈣水泥、板狀剛玉為主要原料,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5%和1%的納米TiO2制備剛玉澆注料。研究發(fā)現(xiàn):加入0.5%(w)納米TiO2的試樣,在較低的煅燒溫度下(≤1 250℃),試樣的常溫抗折強(qiáng)度顯著提高;少量TiO2的加入有利于CA6的生成,過(guò)量引入會(huì)在高溫下過(guò)度燒結(jié)產(chǎn)生收縮,使?jié)沧⒘系膹?qiáng)度有所降低,最佳的加入量為0.5%(w)。尹玉成等[38]通過(guò)用超細(xì)粉TiO2替代α-Al2O3微粉制備了含TiO2的Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料。結(jié)果發(fā)現(xiàn):TiO2加入量(w)為2%的澆注料具有最佳的抗熱震性,并且該澆注料可以實(shí)現(xiàn)自流成型,具有較好的堆積密度,顯氣孔率低,結(jié)構(gòu)致密,常溫耐壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度較高。
馬三寶等[39]以多孔剛玉-尖晶石顆粒為骨料,以70尖晶石細(xì)粉、剛玉細(xì)粉、97燒結(jié)鎂砂細(xì)粉、α-Al2O3和SiO2微粉為基質(zhì),以Secar71水泥作為結(jié)合劑,以FS20為減水劑,分別外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的鈦白粉,在電爐中于1 600℃保溫3 h處理。研究認(rèn)為,TiO2能夠促進(jìn)基質(zhì)的燒結(jié),增大輕質(zhì)剛玉-尖晶石澆注料的體積密度,降低其顯氣孔率。當(dāng)TiO2的添加量為2.0%(w)時(shí),基質(zhì)的孔徑分布更加均勻??乖囼?yàn)后發(fā)現(xiàn),TiO2能促進(jìn)基質(zhì)燒結(jié),增大體積密度,降低顯氣孔率,延緩熔渣對(duì)材料的滲入,進(jìn)而提高其抗侵蝕性能。
胡波等[40]以板狀剛玉為骨料,燒結(jié)尖晶石細(xì)粉、α-Al2O3微粉、Al2O3細(xì)粉、Secar71水泥為主要原料,外加0、0.5%、1.0%(w)的TiO2,經(jīng)1 600℃煅燒3 h,研究TiO2對(duì)純鋁酸鈣水泥和ρ-Al2O3性能的影響。結(jié)果表明,對(duì)于ρ-Al2O3結(jié)合剛玉-尖晶石澆注料,引入的TiO2固溶在尖晶石晶格中,形成鈦酸鋁固溶體,改善了試樣的力學(xué)性能。對(duì)純鋁酸鈣水泥結(jié)合剛玉-尖晶石澆注料,引入的TiO2優(yōu)先與CaO發(fā)生反應(yīng)生成CaTiO3,促進(jìn)CA6生成,無(wú)CaO時(shí)則會(huì)與尖晶石發(fā)生反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物促進(jìn)試樣燒結(jié)。
二氧化鈦的添加對(duì)一些氧化物材料也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。Tekeli等[41]研究氧化釔穩(wěn)定氧化鋯時(shí)發(fā)現(xiàn),TiO2添加量(w)<5%時(shí),氧化鋯的晶型沒(méi)發(fā)生變化;進(jìn)一步添加TiO2會(huì)使一部分氧化鋯的晶型由立方轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆?。?dāng)添加量(w)為10%時(shí),產(chǎn)生大范圍的相變。劉強(qiáng)等[42]通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)制備出了高硬度的立方氧化鋯陶瓷,發(fā)現(xiàn)添加TiO2后的陶瓷晶界移動(dòng)速率減慢,在一定程度上抑制了晶粒的異常生長(zhǎng)。同時(shí),在基質(zhì)中部分小晶??焖偕蔀榇缶Я#糠志Яt被抑制生長(zhǎng),保持著小晶粒的狀態(tài),從而出現(xiàn)了兩種大小不一但均勻的晶粒,材料顯氣孔率降低,材料更加致密。
二氧化鈦在耐火材料中添加的主要作用有三個(gè)方面,一是作為添加劑加入到Al2O3-SiO2系或MgOAl2O3系耐火材料中,與原料中的成分形成玻璃相或固溶體,從而促進(jìn)材料的燒結(jié);二是通過(guò)Ti4+取代引起晶格畸變,活化晶格提高擴(kuò)散能力,有利于燒結(jié)反應(yīng)的進(jìn)行;三是在含碳耐火材料中添加TiO2可以在還原或氮?dú)鈿夥障律煞茄趸颰iC、TiN或Ti(C,N),從而改善含碳耐火材料的抗氧化性和高溫力學(xué)性能。但是TiO2的加入對(duì)材料的抗渣性能的影響較為復(fù)雜,研究報(bào)道較少。