掺入堇青石对发泡陶瓷性能的影响.pdf

收稿日期:基金项目:矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室开放基金项目(项目编号:)作者简介:张银凤副教授博士研究方向:环境材料:.:./.掺入堇青石对发泡陶瓷性能的影响张银凤林伟河许名传(.广东顺祥陶瓷有限公司广东 潮州.华南理工大学 材料科学与工程学院广东 广州.湖北理工学院.环境科学与工程学院.矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室湖北 黄石)摘 要:为了改善发泡陶瓷的高温烧结性能以堇青石和陶瓷坯料为原料以 为发泡剂制备了发泡陶瓷 研究表明最佳烧成温度为 当烧成温度升高时发泡陶瓷的烧结性能会有所下降此外随着堇青石掺入量增加发泡陶瓷的吸水率和气孔率呈先增加后减小的趋势在掺量为时达到最大体积密度呈下降趋势 在保证发泡陶瓷性能符合相关标准的前提下确定堇青石的最佳掺入量为 烧成温度为 保温时间为 制得的发泡陶瓷试样的吸水率为.气孔率为.体积密度为./抗折强度为.关键词:堇青石发泡陶瓷烧结性能中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):./.:第 卷 第 期 年 月 湖 北 理 工 学 院 学 报 .堇青石分子式为 其理论组成为.、.、.密度为./熔点为 莫氏硬度可达 .堇青石有 种常见的晶体结构即 堇青石、堇青石和 堇青石 其中 堇青石是高温型堇青石又被称为印度石属于六方晶系 堇青石属 于 斜 方 晶 系 堇 青 石 属 于 单 斜 晶系 堇青石的晶体结构中存在较大的空隙对称性较低且结构不紧密 当温度升高时堇青石分子受热振动有足够的空间热膨胀非常小具有良好的抗热震性能和较低的热导率 此外堇青石具有介电常数低、介电损耗小、化学稳定性好等特点目前我国提倡发展绿色建筑鼓励发展节能型建筑 高温发泡陶瓷作为一种顺应装配式建筑发展潮流的保温隔热外墙材料因具有轻质、高强及良好的保温隔热性能可完美契合装配式建筑的风格与要求 文章以发泡陶瓷厂家提供的粉料为原料采用高温熔融发泡法制备发泡陶瓷重点探索堇青石的掺入量和烧成制度对发泡陶瓷性能的影响以获得性能指标满足相应规范的发泡陶瓷材料为发泡陶瓷的制备提供新的思路试验与方法.试验原料与设备试验用原料为某陶瓷厂提供的坯料一份添加发泡剂另一份不添加发泡剂 堇青石粉料购自于灵寿县欣然矿产品加工厂 试验用仪器和设备见表 表 试验用仪器和设备名称型号生产厂家电子天平/华志(福建)电子科技有限公司快速研磨机 佛山市业津机电设备有限公司电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司电动压片机 天津天光光学仪器有限公司箱式节能电阻炉 湖北英山县建力电炉制作有限公司陶瓷吸水率测定仪 湘潭市仪器仪表有限公司材料应力应变测试仪湘潭市仪器仪表有限公司.试验方法称取 不加发泡剂的陶瓷坯料分别外加 、的堇青石粉称取 含发泡剂的陶瓷坯料分别外加 、的堇青石粉 按照料 球水 .的质量比例装料球磨 后取出浆料放入电热鼓风干燥箱中()干燥 将 蒸馏水喷入干燥后的粉料中进行人工搅拌造粒入袋封装用湿毛巾包裹陈腐均化 使水分均匀分布陈腐后采用半干压法压制成型压成直径为 的圆柱形和 的长条形成型压力分别为 和 将压制好的试样放入干燥箱内烘干 设定不同的烧成温度、升温速率、保温时间烧成样品保温结束后随炉自然冷却.性能测试与微观分析)吸水率、气孔率和体积密度的测试将待测样品放入干燥箱中干燥至恒重取出后称重记为 将样品放入陶瓷吸水率测定仪中设置真空时间为 注水时间为 浸泡时间为 结束后取出样品浸没在装有蒸馏水的烧杯中称量其悬浮重记为 将试样取出用饱和的湿毛巾轻轻地拭去表面流挂的水珠注意不要把气孔中水分吸出称其质量记为 陶瓷样品的吸水率()、气孔率()、体积密度(/)分别为:()()水()抗折强度的测试将长条试样放在测试台上在计算机程序上输入合适的载荷以及样品的宽度、高度启动仪器同时利用计算机软件记录试验力的曲线和抗折强度、弯曲强度)膨胀量的测定采用排水法在坩埚上盖上保鲜膜加入蒸馏水测出烧成前的水体积和 份烧成后的体积相减后得出各组的样品膨胀量第 期 张银凤林伟河许名传:掺入堇青石对发泡陶瓷性能的影响 结果与讨论.烧结温度对发泡陶瓷收缩性能的影响.烧结温度对发泡陶瓷(未加发泡剂)线收缩的影响发泡陶瓷在煅烧过程中会发生一系列的物理化学变化产生收缩和膨胀本试验研究了未加发泡剂的试样在 、烧成温度下的烧成线变化 未加发泡剂的不同堇青石掺量配方试样烧成线变化与温度的关系曲线如图 所示 由图 可以看出随着烧成温度升高不同堇青石掺量的试样的线变化率都呈下降趋势试样不断收缩这是由于温度升高试样中的液相量增多气孔率减少坯体产生收缩图 未加发泡剂的不同堇青石掺量配方试样烧成线变化与温度的关系曲线.烧结温度对发泡陶瓷(加发泡剂)线收缩的影响加发泡剂的不同堇青石掺量配方试样烧成线变化与温度的关系曲线如图 所示 由图 可以看出加入发泡剂后试样的膨胀性显著增加 主要原因是碳化硅发泡剂在高温下产生气体高温使陶瓷的液相粘度降低生成的气体无法排出被包裹在液相中 随着烧成时间的增加气体越来越多并不断膨胀使试样发泡通过对比不同烧成温度下加发泡剂和未加发泡剂试样的烧成线变化可知无论是否加发泡剂当达到一定温度时试样都会开始膨胀变形 没有加发泡剂时试样中残留的气体是试样膨胀变形的主要原因 加了发泡剂后发泡剂产生的大量气体加剧了试样的膨胀同时发泡陶瓷的发泡量与未加发泡剂试样的烧成温度范围存在必然关系 未加发泡剂时膨胀量大的试样在加入发泡剂后发泡陶瓷的膨胀量相对较大 因此研究未加发泡剂试样的烧结性能对于分析发泡陶瓷发泡的性能很有必要图 加发泡剂的不同堇青石掺量配方试样烧成线变化与温度的关系曲线.烧结温度对发泡陶瓷(未加发泡剂)烧结性能的影响显气孔率、吸水率、体积密度和抗折强度是评价坯体是否烧成良好和材料结构是否致密的主要性能指标是制备陶瓷所需的基本性能也是陶瓷材料能否能可靠应用的依据而烧结温度是影响发泡陶瓷性能的重要因素烧结温度过低坯料难以完全熔融发泡剂产生的气体难以被熔融液相包裹住难以制得孔隙率高的多孔陶瓷烧结温度过高容易出现“过烧”现象气泡相互贯通出现较大孔甚至产生孔结构坍塌的现象严重影响发泡陶瓷性能.烧结温度对发泡陶瓷(未加发泡剂)吸水率、气孔率和体积密度的影响发泡陶瓷(未加发泡剂)的吸水率、气孔率和体积密度与烧成温度的关系曲线如图 所示 由图 可以看出试样的气孔率和吸水率随着烧成温度升高而逐渐降低 这是由于升高温度导致气体运动加速大量气体逸出 湖 北 理 工 学 院 学 报 年使得发泡陶瓷试样的气孔率和吸水率降低当温度达到 时试样逐渐接近瓷化继续升高烧成温度气孔率和吸水率数值变化不大试样的体积密度随着温度的升高逐渐减小 这说明当试样快瓷化后继续升高温度试样出现发泡现象导致体积密度减小()吸水率()气孔率()体积密度图 发泡陶瓷(未加发泡剂)的吸水率、气孔率和体积密度与烧成温度的关系曲线.烧结温度对发泡陶瓷(未加发泡剂)抗折强度的影响发泡陶瓷(未加发泡剂)的抗折强度与烧成温度的关系曲线如图 所示 由图 可知抗折强度大致呈现减小的趋势主要原因是随着温度升高试样中的晶相溶解晶粒增大玻璃相增多导致抗折强度降低图 发泡陶瓷(未加发泡剂)的抗折强度与烧成温度的关系曲线.堇青石的掺入量对发泡陶瓷(未加发泡剂)烧结性能的影响.堇青石的掺入量对发泡陶瓷(未加发泡剂)吸水率、气孔率和体积密度的影响在保证发泡陶瓷性能的基础上设计堇青石的添加量为 、探究堇青石掺入量对发泡陶瓷性能的影响 发泡陶瓷(未加发泡剂)的吸水率、气孔率和体积密度与堇青石掺入量的关系曲线如图 所示由图()和()可知当烧成温度为 时随着堇青石掺入量增加吸水率和气孔率先增加后减小在掺量为 时达到最大值.和.堇青石掺入量增加使坯体产生液相的温度降低液相粘度下降气孔数量增加因此发泡陶瓷的气孔率和吸水率增加 烧结温度高于 后试样接近瓷化吸水率和气孔率不再变化 由图()可知烧成温度为 和 时随着堇青石掺入量增加发泡陶瓷的体积密度下降而烧成温度为 和 时发泡陶瓷的体积密度先增大后减小且在添加量为 时有最大体积密度./和./这是由于堇青石的加入降低了液相第 期 张银凤林伟河许名传:掺入堇青石对发泡陶瓷性能的影响 粘度减小了气孔长大的阻力使孔径增大体积密度降低()吸水率()气孔率()体积密度图 发泡陶瓷(未加发泡剂)的吸水率、气孔率和体积密度与堇青石掺入量的关系曲线.堇青石的掺入量对发泡陶瓷(未加发泡剂)抗折强度的影响发泡陶瓷(未加发泡剂)的抗折强度与堇青石掺入量的关系曲线如图 所示 由图 可知当烧成温度为 和 时发泡陶瓷样品的抗折强度先减小后增大堇青石掺入量在 和 时分别有最小值.和.烧成温度为 和 时发泡陶瓷样品的抗折强度先降低再增大然后降低掺入量在 和 分别有最小值.、.最大值.、.堇青石的掺入会在液相粘度降低的情况下增加液相的表面张力促进发泡剂化学反应的进行增大气体量导致孔径的增大抗折强度随之下降 当堇青石的量达到 和 时由于液相表面张力的增加阻碍了气孔的增大气体无法冲破气孔壁的阻力产生均匀稳定的小孔径气孔抗压强度再次增加 当烧成温度为 和 时当堇青石的掺入量超过 会破坏陶瓷的孔结构反而会导致抗折强度的降低 由以上结果表明堇青石的掺入可以使产生液相的温度降低降低液相的粘度同时增大了液相的表面张力稳定了小孔径的气孔提高了发泡陶瓷的烧结性能图 发泡陶瓷(未加发泡剂)的抗折强度与堇青石掺入量的关系曲线结论随着堇青石掺入量增加发泡陶瓷样品的吸水率和气孔率先增加后减小在掺量为 时达到最大体积密度呈下降趋势当烧成温度为 和 时材料的抗折强度先减小后增大烧成温度为 和 时材料抗折强度先降低再增大然后降低(下转第 页)湖 北 理 工 学 院 学 报 年度从平均相对误差和灰色绝对关联度 方面比较了传统()模型、背景值优化的()模型和本文给出的基于优化背景值的最小一乘法()模型最后得出本文提出的基于优化背景值的最小一乘法()模型不仅平均相对误差最小而且灰色绝对关联度最高基于优化背景值的最小一乘法()模型适合预测安徽省未来几年的 总量参 考 文 献邓聚龙.灰色系统理论教程.武汉:华中理工大学出版社:.刘思峰党耀国方志耕.灰色系统理论及其应用.北京:科学出版社:.谢乃明刘思峰.离散()模型与灰色预测模型建模机理.系统工程理论与实践():.丁松党耀国徐宁等.灰色 模型背景值优化及其应用.控制与决策():.王正新.具有交互效应的多变量()模型.控制与决策():.熊萍萍党耀国姚天祥等.灰色 模型背景值优化的建模方法研究.中国管理科学():.战立青施化吉.近似非齐次指数数据的灰色建模方法与模型.系统工程理论与实践():.谭冠军檀甲友王加阳.灰色系统预测模型()背景值重构研究.数学的实践与认识():.徐宁党耀国丁松.基于误差最小化的()模型背景值优化方法.控制与决策():.谢开贵宋乾坤周家启.最小一乘线性回归模型研究.系统仿真学报():.(责任编辑 李玉花)(上接第 页)为发泡陶瓷的最佳性能考虑确定堇青石最 佳 掺 入 量 为 烧 成 温 度 为 保温时间为 成型压力为 和 制得的发泡陶瓷试样:吸水率为.气孔率为.体积密度为./抗折强度为.性能符合相关标准堇青石的掺入可以降低液相产生的温度降低液相的粘度提升材料的烧结性能参 考 文 献 叶芬车龙刘勇闯等.发泡陶瓷的研究现状与展望.广州化工():.黄惠宁.我国发泡陶瓷产业现状及技术分析.佛山陶瓷():.丁力.利用页岩制作发泡陶瓷的研究.陶瓷():.杨航李伟光申士富等.江西某铜尾矿制备发泡陶瓷的正交试验研究.铜业工程():.吴浩周明凯王怀德等.铝尾矿制备发泡陶瓷组成设计研究.新型建筑材料():.():.:.:.():.唐刚杨亚东刘秀玉等.工业固体废弃物在阻燃材料领域的应用进展.化工矿物与加工():.张留生邱永斌.高温发泡陶瓷及其应用.新型建筑材料():.(责任编辑 李玉花)湖 北 理 工 学 院 学 报 年