摘 要：本文研究了剛玉和引入性莫來石對原位莫來石結(jié)構(gòu)性能的影響，從材料組成、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和相組成等多維度進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)。通過對比分析不同的結(jié)果，本文探討了剛玉和引入性莫來石在提高原位莫來石性能方面不同的作用和影響，多角度分析了熱穩(wěn)性能差異化的原因。

關(guān)鍵詞：板狀剛玉；白剛玉；莫來石；熱穩(wěn)性

1 引 言

在高溫工業(yè)應(yīng)用中，莫來石因其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和耐磨性而被廣泛研究。剛玉和引入性莫來石作為改性材料，對原位莫來石的性能有顯著影響。剛玉和引入性莫來石改性后的原位莫來石，在耐火材料、陶瓷工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景[1]。通過優(yōu)化材料組成和微觀結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高其在工業(yè)應(yīng)用中的性能和可靠性。

剛玉和莫來石的化學(xué)組成對材料性能有基礎(chǔ)性影響。剛玉主要成分為Al2O3，具有高硬度和耐磨性[2]。莫來石則主要由Al2O3和SiO2組成，展現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性[3]。引入性莫來石的添加，可進(jìn)一步優(yōu)化原位莫來石的化學(xué)組成，提高其綜合性能[4]。

微觀結(jié)構(gòu)對材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性具有決定性作用。剛玉的引入可以細(xì)化原位莫來石的晶粒，提高材料的致密度[5]。同時(shí)，引入性莫來石的添加能夠改善原位莫來石的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其抗熱震性能[6]。但是同種材料往往具有不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)，例如剛玉可以分類多種類型，同種材料根據(jù)不同分布和形態(tài)往往會(huì)產(chǎn)生不同的效果。本文旨在通過外引入板狀剛玉、白剛玉、莫來石不同類態(tài)的組相，從多維度探討其對原位莫來石結(jié)構(gòu)和性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用原料有：40目的板狀剛玉、40目的電熔莫來石和80目的白剛玉，微粉采用5微米的氧化鋁粉，引入的硅源是高嶺土。原位莫來石（用MR代表）需要的氧化鋁和氧化硅比例按照理論比進(jìn)行配料，即摩爾比Al2O3：SiO2=3：2，鋁粉與高嶺土比例w%=56.4：43.6。原料的化學(xué)組成見表1。

引入莫來石、白剛玉和板狀剛玉分別用ML、WA和TC表示，三者占比都是40%（w%），其余是原位莫來石占比，三組試樣標(biāo)號(hào)前后分別是A1、A2和A3，試樣配比見表2所示。

按照表2進(jìn)行配制，外加適量的分散劑，經(jīng)過球磨、干燥、粉碎、過篩、加水和結(jié)合劑混料、陳腐均化、壓制成樣條、烘干燒結(jié)等工藝制作試樣。壓條模具尺寸為10mm×10mm×100mm，壓力是60MPa，壓制好的樣條經(jīng)過110℃的溫度24h烘干，用電爐溫度加熱到1600℃保溫2h。

分別按照GB/T2997-2000、GB/T5988-2007、GB/T3001-2017和SY/T5163-2018檢測燒后試樣的顯氣孔率、體積密度、常溫抗折強(qiáng)度和XRD。參照GB/T30873-2014將燒好試樣在850℃保溫20min，再進(jìn)行水冷，經(jīng)過120℃干燥檢測殘余抗折強(qiáng)度，計(jì)算殘余強(qiáng)度保持率。

試樣的相組成采用X線衍射儀（Ultima IV 日本）進(jìn)行檢測分析，采用電子掃描顯微鏡VEGA3 TESCAN分析樣品顯微結(jié)構(gòu)，二次電子圖像分辨率：3.0 nm。

3 結(jié)果與討論

3.1性能檢測結(jié)果

經(jīng)過外引入性添加莫來石、白剛玉和板狀剛玉，原位莫來石復(fù)合后燒結(jié)試樣的性能對比見表3。顯氣孔率A3最高，A1最低；吸水率與顯氣孔率保持一致；體積密度A2最高，A1與A3接近；常溫抗折強(qiáng)度（代號(hào)為MOR）A2最高，A3最低；水冷熱震后抗折強(qiáng)度（代號(hào)為HEMOR）同樣是A2最高，最低的是A1；殘余保持率（代號(hào)為CRR）最高的是A3，最低的是A1。

從以上結(jié)果看，吸水率與顯氣孔率保持正相關(guān)，與體積密度是負(fù)相關(guān)。常溫抗折強(qiáng)度與體積密度基本是正相關(guān)。熱震后抗折強(qiáng)度的大小與常溫抗折強(qiáng)度基本保持一致，也屬于正相關(guān)。熱震前后抗折強(qiáng)度的保持率即殘余保持率，與其余指標(biāo)都不相關(guān)，表現(xiàn)其獨(dú)特的復(fù)雜性。

圖1可以清晰顯示出試樣的力學(xué)性能對比結(jié)果，加入白剛玉的試樣A2常溫抗折強(qiáng)度最高，熱震后抗折強(qiáng)度也是最高，但是保持率卻相對較低，說明白剛玉的引入雖然提高了強(qiáng)度，但是熱震敏感性更高并沒有提高熱穩(wěn)性能。加入板狀剛玉的試樣A3常溫抗折強(qiáng)度最低，但是熱震后的抗折強(qiáng)度保持率卻是最高的，說明板狀剛玉的引入雖然降低了常溫強(qiáng)度，但是提升復(fù)相莫來石的熱穩(wěn)性能。加入莫來石的試樣A1常溫強(qiáng)度處于中間位置，但是保持率卻是最低的，這與常規(guī)觀點(diǎn)不符：引入性莫來石的添加能夠改善原位莫來石的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其抗熱震性能[6]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示加入莫來石并沒有提高熱穩(wěn)性能，這與文獻(xiàn)觀點(diǎn)不一致。結(jié)合下面的SEM檢測結(jié)果分析其異常的原因。

3.2 SEM結(jié)果與分析

圖2是三種試樣的微觀結(jié)構(gòu)的掃描照片。最左側(cè)的照片是加入莫來石的試樣A1，最顯著的特征是材料內(nèi)部出現(xiàn)了幾十微米的長形氣孔，巨型氣孔分布于引入莫來石的周圍，斷裂面大多是沿著晶界和氣孔斷裂，原位莫來石的形狀是長柱狀。中間位置是加入白剛玉的試樣A2，照片顯示斷裂面是穿過晶體斷裂，莫來石形狀是短柱形狀，氣孔尺寸比較小而且分布均勻。右側(cè)照片是加入板狀剛玉的試樣A3，板狀剛玉可以明顯凸顯出來，斷裂面是沿著晶界開裂，原位莫來石形狀是長柱狀，氣孔大部分分布在板狀剛玉之間，氣孔尺寸是5到10微米。

力學(xué)性能是評價(jià)材料實(shí)用性的關(guān)鍵指標(biāo)。研究表明，剛玉的添加可以顯著提高原位莫來石的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性[7]。而引入性莫來石則通過改善材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高其抗熱震性和耐磨性[8]。根據(jù)表3可知，加入白剛玉的試樣A2抗彎強(qiáng)度最高，但是加入板狀剛玉的試樣A3強(qiáng)度卻是最低，說明剛玉類型不同造成的力學(xué)性能也不同。結(jié)合圖2可知，A2氣孔細(xì)小分布均勻，斷裂面是穿晶斷裂，材料內(nèi)部比較致密，這是復(fù)合材料強(qiáng)度高的原因；A3試樣氣孔較大，斷裂面是晶界斷裂，致密度低，這是引入板狀剛玉造成復(fù)合材料強(qiáng)度低的原因。A1試樣遠(yuǎn)離大氣孔的部分比較致密，但是大氣孔影響到了復(fù)合材料的整體強(qiáng)度，主要原因是電熔莫來石活性低和表面粗糙，在凹形部位的界面原位莫來石產(chǎn)生形核需要更大能量進(jìn)行傳質(zhì)，更容易形成大氣孔。

在高溫環(huán)境下，材料的熱穩(wěn)定性至關(guān)重要。剛玉和引入性莫來石的引入，能夠提高原位莫來石的熱膨脹系數(shù)和抗熱震性能[9]。但是，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示更復(fù)雜，結(jié)論并不是與相關(guān)文獻(xiàn)的觀點(diǎn)一致。莫來石的線膨脹系數(shù)（20-1000℃）5.3×10-6/℃，而剛玉的線膨脹系數(shù)為7.8×10-6/℃，膨脹系數(shù)越大在高溫時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大，抗熱震性越差，所以加入白剛玉的A2試樣熱震后強(qiáng)度保持率低。但是加入板狀剛玉的A3試樣熱穩(wěn)性卻是最好的，結(jié)合圖2可知，雖然剛玉產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，但是板狀剛玉周圍分布有大量氣孔，氣孔尺寸適中且分布均勻，這些氣孔能夠很好分散熱應(yīng)力，明顯降低了熱應(yīng)力造成的破壞，所以加入板狀剛玉提高了復(fù)合材料的熱穩(wěn)性。

莫來石膨脹系數(shù)較小，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)更小，熱穩(wěn)性應(yīng)該更好，但是根據(jù)圖1加入莫來石的試樣A1熱震后的強(qiáng)度保持率CRR卻是最低的，這是因?yàn)閺膱D2可以看出，部分引入莫來石周圍出現(xiàn)一些大氣孔，大氣孔能夠快速集中大量熱應(yīng)力，反而加速了裂紋擴(kuò)展和斷裂。

3.3 晶相檢測與分析

表4是三種試樣的XRD檢測結(jié)果。加入莫來石的試樣A1莫來石相（代號(hào)為Mul）最高達(dá)到71.5%，出現(xiàn)少量剛玉相（代號(hào)為Cor），非晶相（代號(hào)為Gla）25%；加入白剛玉的試樣A2莫來石相29%，剛玉相41.5%，非晶相最高為29.5%；加入板狀剛玉的試樣A3莫來石相含量與A2接近，剛玉相最高為47%，非晶相與A1接近為24.5%。

根據(jù)表2可知，試樣A1加入莫來石ML40%，減去這部分新產(chǎn)生的莫來石為71.5%-40%=31.5%，略微高于A2和A3的莫來石相Mul，說明引入性莫來石有利于提高莫來石轉(zhuǎn)化。這是因?yàn)橐胄阅獊硎牟糠志Ы缂铀倭四獊硎磻?yīng)形核，提高了反應(yīng)效率。雖然莫來石轉(zhuǎn)化率有所提高，但是并不明顯，其原因是本次使用的是電熔莫來石活性低，另外引入性莫來石粒度大自由能和表面能較低。氧化鋁一部分轉(zhuǎn)化生成莫來石，有一部分溶入到非晶相，最后剩余部分成為少量剛玉相。

圖3是三種試樣相組成的直觀圖，更能清晰顯示組成特點(diǎn)。圖中顯示，A3的剛玉相Cor最高，結(jié)合圖2可知，板狀剛玉影響了傳質(zhì)，也會(huì)降低強(qiáng)度，這與前面圖1相一致。A2與A3引入的剛玉相雖然種類不同，但是最終的剛玉相比例相對接近，因?yàn)閯傆裣嘀饕獊碓从谝胄詣傆?，這部分一般不參與莫來石反應(yīng)。

本次實(shí)驗(yàn)中原位莫來石MR配料比例和使用的原料相同，從圖3可以看出非晶相Gla在A2試樣中最多，A1和A3較少。根據(jù)圖2，試樣A2引入白剛玉為第二相，照片顯示氣孔細(xì)小而且分布均勻，說明非晶相分布的毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通道細(xì)小，分布密集，這造成非晶相流動(dòng)阻力較大，大部分的非晶相得到留存。A1和A3氣孔尺寸較大，有部分氣孔相互貫通，從表3可以看出，他們的體積密度比較接近而且相對小，這些有利于非晶相的流動(dòng)性提升，所以非晶相含量較少。另外，A1和A3從圖2可以看出，產(chǎn)生的莫來石形狀是長柱狀，長徑比較大，而A2莫來石長徑比小，這與非晶相的流動(dòng)性有關(guān)。非晶相流動(dòng)性越好，傳質(zhì)距離越遠(yuǎn)，越有利于莫來石生長長徑比越大，由于莫來石是異向生長，主要生長晶面是（001）面，良好的傳質(zhì)促進(jìn)了異向生長。

4 結(jié)論

（1）引入白剛玉的復(fù)相莫來石內(nèi)部氣孔細(xì)小分布均勻，斷裂面是穿晶斷裂，材料本身致密，提升了抗折強(qiáng)度，但是這反而不利于分散熱應(yīng)力，造成熱穩(wěn)性較差。

（2）引入板狀剛玉的復(fù)相莫來石內(nèi)部氣孔較大，斷裂面是晶界斷裂，致密度低，降低了抗折強(qiáng)度，但是這反而有利于分散熱應(yīng)力，造成熱穩(wěn)性較好。

（3）簡單引入性莫來石不一定可以改善熱穩(wěn)性能，原因是莫來石種類不同，分布狀態(tài)不同，其效果也不同。有的界面結(jié)合力差，甚至出現(xiàn)大氣孔，促進(jìn)了應(yīng)力集中，加速裂紋擴(kuò)展和材料斷裂，這反而不利于提升材料熱穩(wěn)性能。

（4）材料內(nèi)部氣孔細(xì)小且分布均勻，說明非晶相分布的毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)通道細(xì)小，分布密集，這造成非晶相流動(dòng)阻力較大，最終大部分的非晶相得到留存。非晶相流動(dòng)性越好，傳質(zhì)距離越遠(yuǎn)，越有利于莫來石生長其長徑比越大。

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