Henan University of Urban Construction
《无机材料专业英语》
课程设计
专业：无机非金属工程
班级：0134091
学号：013409128
姓名: 王峰
指导老师：徐开东
成绩：
土木与材料工程系
2012年05月
有关碱土氧化物对相的形成和莫来石
陶瓷的形态发展的研究
摘要：将对莫来石（3Al2O3·2SiO2）相的形成和陶瓷形态发展有影响的包括氧化镁，氧化钙，氧化锶，氧化钡在内的碱土氧化物和活性炭组成的混合物，经高能球磨后，进行研究。

不同的碱土氧化物表现出对莫来石化行为和形态/莫来石陶瓷的微观结构发展有不同影响。

莫来石化的温度随着氧化镁和氧化钡的比例的增大而升高。

莫来石晶须的形成和发展与氧化镁的掺量有关，而与氧化锶、氧化钡和氧化钙的的掺量有关的正常形状的颗粒相比更好一点。

这两种莫来石的形成温度和形态发展都是根据碱土氧化物的种类来定的，并对莫来石化机制和溶解沉淀方面进行了解释。

关键词：莫来石 .碱土氧化物各向异性晶粒的生长莫来石化
1 前言
许多先进的技术和莫来石（3Al2O3.2SiO2）的热学性能使它成为一种很有前途的工程材料，莫来石粉体材料通常是通过氧化物之间的固态反应制得的。

由于在莫来石晶格内SI4+和Al3 +上网相互扩散率比较低，莫来石化动力学性能又是由其混合物的早期强烈的反应引起的。

因此，能与Al2O3和SiO2（石英）发生固态反应的莫来石相形成温度可以高达1600摄氏度 。

不同的种类可以降低莫来石相形成温度。

例如，使用α-氧化铝与二氧化硅形成的无定形颗粒溶胶，可以使莫来石的形成温度降到1400-1500摄氏度。

如果使用纳米级γ-Al2O3颗粒，莫来石化的温度可进一步降低1300摄氏度。

溶胶-凝胶过程是降低莫来石形成温度的另一种方式。

在此过程中，前期是在原子水平上的混合，使莫来石的形成可以大大增强。

莫来石化的温度通常是900-1200摄氏度。

溶胶-凝胶过程的缺点，也就是涂料的方法，包括复杂的实验过程，昂贵的化学用品的和较低的生产量。

这些缺点的改变将是促进莫来石陶瓷替代普通工艺的有效途径。

高能球磨的目的是使金属氧化复合材料分散均匀，随后进行机械合金化，这种机械现已被应用到陶瓷材料的制备中，有些化合物可以直接通过高能球磨合成。

例如，锆钛酸铅在一定时间内可以由氧化钛、氧化铅、氧化锆经高能球磨机研磨制的，快慢取决于研磨介质和铣削参数。

而其他材料，如钛酸钡和镁铝尖晶石在用高能球磨机研磨之前需要进行低温处理，对这些材料进行前期研磨可以增强相的形成能力，并且在球磨或在冷却处理过程中都会有直接的反应。

我们本来打算采用高能球磨机来实现莫来石陶瓷的低温制造，然而，通过高能量球磨机得不到致密的莫来石陶瓷，反而得到了莫来石晶须。

另外我们还发现，加入其他氧化物可以改变莫来石化行为和莫来石的尺寸，许多种氧化物我们都已经研究过了，而在最近的研究中，我们主要是通过高能球磨机来研究碱土氧化物对莫来石化行为和形态/微观发展氧化铝石英混合物的影响。

这是很有意义的，最终发现莫来石晶须只在有氧化镁的情况下生成，而在氧化钙，氧化锆和氧化钡存在的情况下可以得到各向异性不明显的致密莫来石陶瓷。

这些观点可以通过溶解- 沉淀机制来解释。

2 实验
市售二氧化硅（石英，99+％纯度，Aldrich公司，美国），氧化铝（纯度大于99％，Aldrich公司，美国），氧化镁，氧化钙，碳酸锶，碳酸钡粉末被用作初始原料,混合组成（3Al2O3·2SiO2）0.9（MO）0.1（M：镁，钙，锶，钡）。

“这种粉
末是以氧化锆为介质用传统的铣削加工进行了第一次混合，混合粉末的活性可以由高能球磨机激活，铣削操作就是运用瑞驰PM400型行星气体粉磨系统进行操作的，然后在室温下保持5小时，在200 rpm的铣削速度下，用一瓶250毫升碳化钨和100个直径为10mm的碳化钨球来作为球磨介质。

球粉重量比率为约40:1。

磨碎的粉末在50MPa压力下压成的直径为10mm的颗粒，这种绿色的颗粒在瑞和丰式炉中进行1600种烧成，并保持4小时，空气温度以10摄氏度/分钟的加热和冷却速率从1000摄氏度至1500摄氏度。

X射线衍射分析了粉末和烧结样品在理学类型衍射与铜的Kα辐射中的应用，绿色颗粒的致密性是用塞塔拉姆16/18型膨胀仪系统在每分钟升高10摄氏度的空气氛围下测定的，烧结样品的微观结构是用JEOL JSM-6340F型电子显微镜（FESEM）检查的，莫来石陶瓷的密度是用MD-200S型电子比重计并以水为液体介质测定的。

图1：不同温度下烧结4小时的掺杂碱土氧化物混合物的XRD图谱。

图2：掺杂碱土氧化物的混合物的致密化行为
3 结果与讨论
图1显示了掺杂碱土的氧化物样品在不同温度下烧结的XRD图谱，图中可以看到四组在1000摄氏度的时候烧结的XRD图谱类似，其中氧化铝和石英是主要的阶段，对于氧化镁和氧化钙，是通过X射线衍射得到小峰2θ≈21.69度的结果，这意味着石英方石英的烧结相变过程在这个温度下发生。

对于氧化锶和氧化钡的衍射图，样品中观察不到方石英，这意味着掺入氧化锶和氧化钡可以抑制石英和方石英之间的相转变。

烧结1100摄氏度后，氧化镁掺杂组出现了莫来石相，虽然来自氧化铝和方石英的衍射峰仍然相当强劲，然而，其他三个组在此温度下没有形成莫来石，从图中可以看出，石英和方石英的相变已经完成，当烧结温度升高到1200摄氏度时，氧化镁掺杂组中莫来石化几乎完成，而在氧化钙和氧化锶的掺杂组中莫来石化是主要阶段，然而，在氧化钡掺杂组中莫来石仍是在不成熟阶段。

“氧化镁掺杂组莫来石化的的温度几乎和掺杂氧化铝、石英系统经高能球磨后的温度相同，而氧化钡掺杂组中莫来石化样品的温度和掺杂无铣系统的温度非常接近，我们以前的研究表明，高能球磨机可以降低莫来石化氧化铝-石英的温度200摄氏度左右，这些现象还表明，氧化钙，氧化锶和氧化钡对莫来石相的形成有负面影响，这种影响的程度是在由氧化钙<氧化锶<氧化钡这种关系决定的，所有样品的衍射图谱烧结在1300摄氏度或1300摄氏度以上几乎是相同的。

图2显示了掺杂四种碱土氧化物样品的致密化行为。

在温度低于1200摄氏度时没有明显的现象，四种碱土氧化物的曲线非常相似，然而，当温度高于1200摄氏度时可以观察到它们的差异很大。

掺杂氧化镁的样品致密性最不明显，掺杂氧化钙，氧化锶和氧化钡样品最大收缩分别为10.5％，15.9％和18.5％。

图3显示了氧化镁掺杂样品在不同温度下烧结的SEM照片，在1000摄氏度下烧结的样品含有等轴晶，这个温度下莫来石相是不能形成的，在1100摄氏度下烧结的氧化镁样品晶须可随时观察，莫来石晶须随着烧结温度的提高而继续成
长，选择几张在1400摄氏度下烧结掺杂氧化钙、氧化锶、氧化钡样品的SEM图像，如图4所示，与掺杂氧化镁组的样品相比，这三个掺杂样品碱土氧化物不表现出明显的各向异性晶粒生长，相反，可以得到致密的莫来石陶瓷，这也证实了可以测量不同温度下烧结样品的密度如图5所示，事实上，掺杂氧化钡样品的密度之所以高于莫来石的理论密度，主要是由于高密度的氧化钡在起作用。

图3。

在烧结4小时后掺杂氧化镁样品的SEM照片：（a）1100℃，（b）1200℃，（c）1300℃，（d）1400℃和（e）1500℃。

莫来石相形成Al2O3-SiO2二元系统是由溶解-沉淀机制决定的已被普遍接受。

在Al2O3-SiO2系统的烧结过程中，在相对较低的温度下，形成富硅液体状层，随着氧化铝成分溶解，莫来石核结晶氧化铝浓度达到临界水平，这液体状层也可作为烧结助剂，以促进致密的烧结体，这被称为瞬变流粘性烧结。

如果莫来石相形成之前进行致密，就可以得到晶须，这是因为莫来石晶粒在不受约束的环境下有一个强烈的倾向，会随着晶粒生长其各向异性生长进行，否则，致密莫来石陶瓷等轴晶将成为最终产品，用传统的固态反应制备莫来石陶瓷，在氧化物加入前莫来石相的形成需要非常高的温度。

这主要是因为市售Al2O3和SiO2（石英）组成的颗粒非常大，使溶解Al2O3非常困难，这反过来又导致莫来石化后发生致密化，在这种情况下，莫来石颗粒的各向异性不能生长，因此，莫来石晶须是不可用的，高能量球磨机可以减少氧化物前体颗粒纳米尺度，精致的前体具有很高的活性，导致莫来石化的温度低于致密化的温度。

所以可以得到莫来石晶须，因此，建议用不同的方法研究碱土氧化物对富SiO2液体状的不同阶段的特点的影响。

氧化镁和氧化钡是氧化钙和氧化锶两者之间两种极端情况，氧化镁-氧化铝-氧化硅系统与高能球磨氧化铝-氧化硅系统相似，然而氧化钡-氧化镁-氧化硅系样本演示的莫来石化像没有铣削的纯Al2O3-SiO2系混合物，需要进一步进行努力，以修正碱土氧化物的这些影响。

a氧化钙b氧化锶c氧化钡
图5：掺杂碱土氧化物混合物的相对密度与烧结温度的关系图。

4。

结论
加入氧化镁的莫来石化行为和形态发展与低温莫来石化和形成的晶须观察相似，莫来石化的温度主要是由氧化钙、氧化锶、氧化钡来提供的，相比之下，加入氧化镁，氧化钙，氧化锶和氧化钡可以导致无致密莫来石陶瓷晶粒呈现出各向异性生长的性质，可以通过溶解- 沉淀机制来解释碱土氧化物对莫来石的形成温度和莫来石形态起的决定性作用。