堇青蜂窩陶瓷微觀結(jié)構(gòu)及熱膨脹系數(shù)的研究

0超導(dǎo)體器材料的制備藍(lán)藍(lán)色、青石、蜂窩陶瓷是陶瓷材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用。由于其巨大的比面、低膨脹系數(shù)、耐候性和耐腐蝕性，它被用來(lái)制作汽車尾氣處理、紅外波束材料、發(fā)電廠的蓄熱以及工業(yè)上使用的大型除濕裝置。此外，它還被稱為環(huán)保陶瓷。日本NGK公司和美國(guó)的康寧公司在堇青石蜂窩陶瓷的制備上處于國(guó)際領(lǐng)先水平,他們制造的堇青石蜂窩陶瓷的膨脹系數(shù)僅為0.2×10-6/℃左右。我國(guó)在該領(lǐng)域的制備技術(shù)和研發(fā)技術(shù)離國(guó)際先進(jìn)水平具有一定的差距,超低膨脹系數(shù)堇青石蜂窩陶瓷材料的制備也一直是困擾我國(guó)蜂窩陶瓷發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),代表我國(guó)該領(lǐng)域最高水平的宜興某廠所制備的堇青石蜂窩陶瓷,其膨脹系大約為1.2×10-6/℃。杜永娟等制備了熱膨脹系數(shù)約在1.2×10-6/℃的堇青石陶瓷。張華等研制的堇青石蜂窩陶瓷的熱膨脹系數(shù)在1.48×10-6/℃左右。張振禹等也對(duì)堇青石的低熱膨脹機(jī)理進(jìn)行了研究,用半定量法計(jì)算了α-堇青石的理論熱膨脹系數(shù)大概是0.85×10-6/℃。因此,日本NGK公司的堇青石蜂窩陶瓷膨脹系數(shù)如此之低,一定在結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新和不同,為此我們將NGK和宜興蜂窩陶瓷進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)分析和對(duì)比并制定出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。1實(shí)驗(yàn)過(guò)程1.1gk植物效能模型從圖1可知,宜興蜂窩陶瓷與NGK的XRD圖譜基本吻合,各衍射峰的位置基本對(duì)應(yīng),個(gè)別峰的衍射強(qiáng)度稍有不同,圖中每個(gè)峰完全符合PDF卡片(13-0294號(hào)),為單一的α-堇青石相。從圖2可知,NGK蜂窩陶瓷的斷面及表面SEM圖均出現(xiàn)微裂紋,而宜興的沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微裂紋;且NGK晶粒成圓弧狀,而宜興的顆粒以長(zhǎng)方形狀居多,但兩者晶粒排列均有一定的取向。從以上結(jié)果得出:NGK堇青石陶瓷的膨脹系數(shù)比堇青石材料理論膨脹系數(shù)還要低,主要是因?yàn)槠浞涓C陶瓷中含有一定量的微裂紋,該微裂紋可以有效抵消堇青石受熱膨脹。一般認(rèn)為堇青石質(zhì)陶瓷的化學(xué)組成越靠近堇青石的理論組成,其熱膨脹系數(shù)越低。同時(shí),燒成制度也是決定堇青石晶粒是否取向排列以及熱膨脹系數(shù)高低的主要因素之一。在一定條件和溫度范圍內(nèi),升溫速率和熱膨脹系數(shù)成反比關(guān)系。為此,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從漿料分散及燒成制度兩個(gè)方面對(duì)宜興蜂窩陶瓷微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而有效降低其膨脹系數(shù)。1.2材料的球磨混合均衡本實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)上成熟的堇青石蜂窩陶瓷配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其配方組成見表1。由于堇青石蜂窩陶瓷是原位生成堇青石,所以其堇青石成本低且具有巨大的比表面積,滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。為了能夠原位生成堇青石晶粒,多種原料的混合均勻是至關(guān)重要的技術(shù),本實(shí)驗(yàn)采用濕法混合六種原材料(滑石、Al2O3、高嶺土、煅燒高嶺土、石英)。為了獲得結(jié)構(gòu)均勻,堇青石發(fā)育完好的蜂窩陶瓷,我們需要將六種原材料分散均勻,采用了加入分散劑和調(diào)節(jié)漿料pH值的方法進(jìn)行球磨混合均勻研究。按照表1的配方稱量各組分,通過(guò)不同方法(見表2)配制漿料,并作粘度分析。將各漿料烘干,壓片,再按表3中的燒成制度,并通過(guò)隨爐降溫及急冷降溫(945℃、1017℃、1188℃)得到不同樣品,作XRD、SEM對(duì)比分析。1.3沉降、均勻由表2及表4分析可知,2#比1#漿料多加了氨水及分散劑PAA,粘度有所降低,且流速較快,但由于1#、2#加水較多,使得漿料極易沉降,不利于漿料后期的烘干,會(huì)使得粉體中組分不均勻。而3#、4#相對(duì)于1#、2#而言降低了水的含量,雖粘度增大、流速減慢,但沉降一天后粘度變化程度明顯降低,適于漿料的后期烘干。1.4急冷溫度對(duì)微裂紋的影響從圖3可知,2#、4#樣品與宜興、NGK蜂窩陶瓷的XRD圖譜中各衍射峰的位置基本對(duì)應(yīng),個(gè)別峰的衍射強(qiáng)度稍有不同。從圖4分析可知,2#、4#樣品表面形貌中并未出現(xiàn)微裂紋,微觀結(jié)構(gòu)與宜興的類似,晶粒形貌以呈長(zhǎng)方形狀為主,晶粒排列均有一定的取向。以4#樣品為例,通過(guò)不同的急冷溫度(945℃、1017℃、1188℃)得到不同的樣品,并測(cè)試其表面形貌進(jìn)行分析。從圖5分析可知,經(jīng)過(guò)不同的急冷降溫,4#樣品的微觀形貌均發(fā)生了變化,不同程度地產(chǎn)生了微裂紋。其中,945℃、1017℃相比于1188℃的而言,微裂紋更明顯。說(shuō)明合適的急冷溫度有利于堇青石在急冷條件下發(fā)生不同取向的收縮,從而產(chǎn)生有利于降低蜂窩陶瓷熱膨脹系數(shù)的微裂紋。2熱膨脹系數(shù)的變化對(duì)NGK和宜興的堇青石陶瓷的XRD和SEM分析得出,微觀結(jié)構(gòu)上的有無(wú)裂紋是兩者最大的區(qū)別,N