高鋁礬土的燒結(jié)動力學(xué)特點范文

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1結(jié)果與討論

1.1溫度對礬土燒結(jié)致密化的影響圖1為樣品線收縮率與溫度關(guān)系曲線。圖2為不同溫度煅燒后樣品的體積密度和顯氣孔率。隨溫度升高，線收縮率呈指數(shù)形式增長，燒結(jié)致密化作用逐漸增大，1100℃時，樣品出現(xiàn)一定的燒結(jié)收縮但燒結(jié)作用較小；1300℃時，樣品燒結(jié)收縮明顯，體積密度顯著提高；高于1500℃時，樣品體系密度大幅提高，線收縮率繼續(xù)增大；當(dāng)高于1550℃，樣品線收縮率的增幅略有降低。王金相等［4］將我國DK型高鋁礬土燒后相組成與Al2O3含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的關(guān)系歸納如下圖3為Al2O388生坯的XRD譜。由圖3可知，Al2O388的主要礦物相為一水鋁石（diaspore）和高嶺石（kaolinite），屬于DK型高鋁礬土。將表1數(shù)據(jù)代入式（1），得到玻璃相含量約為9．19％（所得到的計算結(jié)果一般比實際玻璃相含量值偏低），可見高鋁礬土（Al2O388）的燒結(jié)為液相燒結(jié)［9］。

1.2礬土燒結(jié)動力學(xué)圖4為樣品分別于1450、1500和1550℃保溫不同時間得到的線收縮率與時間對數(shù)擬合曲線。從圖4可見，樣品線收縮率與時間在對數(shù)的雙坐標(biāo)下呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，即隨燒結(jié)時間延長，燒結(jié)速率呈指數(shù)形式增加，樣品的氣孔率逐漸降低，致密度逐漸增大。其中：ΔL／L0為樣品的線收縮率；t為燒結(jié)保溫時間；1／P為反應(yīng)級數(shù)；K為燒結(jié)速率常數(shù)；Q為該組成的燒結(jié)激活能；T為絕對溫度；A為與界面張力、擴散系數(shù)和顆粒半徑相關(guān)的常數(shù)；R為氣體常數(shù)。將各個溫度下的lg（ΔL／L）與lgt數(shù)據(jù)代入式（2），線性回歸得到燒結(jié)動力學(xué)方程，如表2所示，方程所對應(yīng)的截距為該溫度下的lgK。對于保溫時間相同的樣品，溫度越高，燒結(jié)速率常數(shù)K越大，說明燒結(jié)溫度的提高有利于燒結(jié)的進行。而隨保溫時間延長，溫度越高的樣品致密性提高幅度越小。Kingery將液相燒結(jié)過程分為顆粒重排、溶解－－沉淀以及燒結(jié)后期氣孔的產(chǎn)生和融合階段。研究表明［10］：對于窄顆粒尺寸分布的樣品，少量液相存在時通過顆粒排布可以達到理論密度的74％。若以開口氣孔完全消除的樣品密度作為理論密度其中：ΔV為樣品燒結(jié)后的體積收縮大小；V0為生坯體積；r為顆粒直徑；k1和k2為比例系數(shù)；δ為液膜厚度；D為擴散系數(shù)；c0為初始元素濃度；γLV為液－－氣表面能。由于式（4）中模型是以液相燒結(jié)機理中溶解－－沉淀過程為前提的，并且設(shè)定該溶解－－沉淀過程由顆粒間相界發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)決定。若滿足該模型的比例關(guān)系，其燒結(jié)則由溶解－－沉淀過程所控制。實驗中ΔL／L0與t的指數(shù)關(guān)系參數(shù)接近但并不完全符合式（4）中的關(guān)系參數(shù)，表明1450和1500℃時溶解－－沉淀機理在Al2O388液相燒結(jié)過程中起了重要作用，但由于礬土液相是復(fù)雜的多元系，不同溫度下液相數(shù)量和性質(zhì)不斷發(fā)生變化，一定程度上影響著液相燒結(jié)。將表2數(shù)據(jù)代入式（3），經(jīng)線性回歸分析，可知lnK與1／T呈線性關(guān)系。由直線斜率計算得到Al2O388的燒結(jié)激活能約為289kJ／mol，純Al2O3陶瓷的燒結(jié)激活能為690kJ／mol［12］，說明液相的存在有助于燒結(jié)。

1.3礬土的物相組成和微觀結(jié)構(gòu)圖5為不同溫度煅燒后的Al2O388的XRD譜。由圖5可見：1100℃時，礬土主晶相為剛玉，有少量金紅石存在；溫度升至1300℃，主晶相由剛玉假相變?yōu)閯傆裣啵鸺t石轉(zhuǎn)變?yōu)殁佀徜X，同時有少量莫來石相出現(xiàn)；溫度繼續(xù)升高，莫來石衍射峰變得尖銳，晶粒發(fā)育更好。剛玉衍射峰高度在1500和1600℃時均低于1400℃的，一方面是由于鈦酸鋁和玻璃相數(shù)量增多；另一方面是由于隨著溫度的升高，溶解于液相中的剛玉量增加所。圖6為Al2O388在不同溫度煅燒4h后的顯微結(jié)構(gòu)。由圖6可見：1100℃時，樣品未出現(xiàn)明顯的燒結(jié)，整體結(jié)構(gòu)松散，此時液相尚未大量形成，燒結(jié)作用較小（見圖6a）；1400℃燒結(jié)后，在液相的作用下，顆粒之間有一定聚集趨勢，小氣孔逐漸連通成大氣孔（見圖6b），此時主要為顆粒重排階段，影響燒結(jié)的主要因素為潤濕角和表面張力。燒結(jié)開始階段，液相形成量較少，但對顆粒重排階段，影響燒結(jié)的主要因素為潤濕角和表面張力。燒結(jié)開始階段，液相形成量較少，但對顆粒的潤濕效果顯著，所產(chǎn)生的毛細管力使顆粒出現(xiàn)滑移，促進重排。適當(dāng)提高溫度，液相量增多，液相黏度降低，Al元素在玻璃相中的傳質(zhì)加，樣品致密化速率增大，小顆粒聚集形成大顆粒，液相重排基本完成（見圖6c）。燒結(jié)開始進入顆粒溶解－－沉淀階段，顆粒相互接觸擠壓，壓應(yīng)力使顆粒接觸處溶解度提高，從而出現(xiàn)不斷的溶解，并遷移到其它壓應(yīng)力小的表面析出。由于剛玉晶粒在液相中有一定的溶解度，顆粒間通過液相完成溶解－－沉淀過程，實現(xiàn)快速顆粒傳質(zhì)，以促進致密化。1600℃時，樣品已基本完成燒結(jié)，進入后期重結(jié)晶階段。樣品氣孔率低且多為閉氣孔，結(jié)構(gòu)主要由發(fā)育長大的粒狀剛玉構(gòu)成，尺寸多為10～20μm，晶粒與晶粒間孔隙由液相和鈦酸鋁填充（見圖6d）。

2結(jié)論

1）提高燒結(jié)溫度增加了Al2O388礬土的液相量，提高了燒結(jié)速率，改善材料的致密性。2）通過等溫?zé)Y(jié)動力學(xué)，得到1450、1500和1550℃時Al2O388礬土的線收縮率與時間在對數(shù)雙坐標(biāo)下關(guān)系曲線，二者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，Al2O388礬土的燒結(jié)激活能為289kJ／mol。3）等溫?zé)Y(jié)動力學(xué)方程證實Al2O388礬土的燒結(jié)機理符合液相燒結(jié)的3個過程：顆粒重排、溶解－－沉淀及氣孔的產(chǎn)生和融合等過程。高于1100℃時，樣品液相量增多，在毛細管力作用下出現(xiàn)顆粒重排；1500℃時，樣品基本完成顆粒重排進入溶解－－沉淀階段，剛玉晶粒在液相中的溶解可加速傳質(zhì)，促進致密化；1600℃時，燒結(jié)進入后期重結(jié)晶階段，剛玉晶粒發(fā)育長大，形成閉氣孔。

作者：楊歡迎李勇劉淑龍高長賀李燕京馬淑龍王林俊單位：北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院北京通達耐火技術(shù)股份有限公司