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伊利石-高岭土-铝矾土体系陶瓷材料制备工艺的研究

发布日期:2014年2月3日

传统的矾土质瓷是以熟铝矾土为主要原料的“K2O -Al2O3-Si02”系统陶瓷材料,Al2O3含量为60 - 65%(质量分数),具有机械强度高、屯绝缘性能好、耐磨性能好等优点,广泛应用于高强度高压电瓷、机械、石油、化上等领域。熟铝矾土是由天然铝矾上矿物经过混料、细磨、成球、煅烧、再细磨等工艺制得。由于熟铝矾上的生产能耗高、成本高、有一定的环境污染,导致传统矾土质瓷生产存在原料成本高、泥料可塑性不足等问题。本文是研究直接以生铝矾土为主要原料的“铝矾土-伊利石-高岭土”系新型矾土质瓷的制备工艺,为矾土质瓷生产开辟一条新的途径,以达到降低矾土质陶瓷材料生产成本、减少环境污染的日的。

实验过程

原料和配方

实验原料的化学组成如表1所示。

为了研究配方变化对材料性能的影响,实验设计的配方范围(wt%)为:生铝矾土62 - 66%、高岭土8- 12%,伊利石26%,滑石O-3%。

试样的制备

按配方配料,然后按料:球:水(wt%)=1:2:1 的比例在以刚玉球为研磨介质的球磨罐中球磨,球磨时间20 - 40min,平均粒度2.8 - 4.1 um,然后在烘箱中烘干,再经过造粒后,在31MPa下干压成型为试条,试条经打磨修坯,干燥后放入电炉中在不同的烧成制度下烧成,冷却后得到试样。

试样的测试

秒速快3采用日本理学D/max-3C自动X衍射仪对试样进行物相分析。采用日本电子JSM-6460型扫揣电镜分析试样的品微结构。英国马尔文M astersizer M icro粒度仪进行物料粒度分析。湖南湘潭仪器仪表秒速快3SGW数显工程陶瓷弯曲强度试验仪测试试样抗弯强度。

分析与讨论

滑石的加入量对试样性能的影响

滑石里含有大量的Mg0,是一种很好的烧结助剂,有利于降低高铝质陶瓷的烧结温度、提高强度。本试验研究厂配方中生铝矾土,伊利石,高岭土的量不变的条件下,外加O -3%的滑石对坯体的烧结温度、抗弯强度的影响。实验配方见表2。1320℃保温0.5小时烧后试样的性能见表3。

秒速快3由表2、表3数据可以看出,在烧成条件一定的条件下,滑石的添加量从O增加到3%,试样的吸水率逐渐降低,收缩率逐渐增大、体积密度增大,抗弯强度呈先逐渐增大,后降低的趋势,外加2%配方C1抗弯强度到达最高值115.50 MPa,3%时,抗弯强度下降到 87.38M Pa。添加量从O增至1%对性能的影响最为显著,吸水率从4.83%减小为0.94%,收缩率从8.45%增加到11.75%,体积密度从2.56g/cm3增大到2.74g/cm3,抗弯强度由76.42MPa增大到101.73MPa,提高幅度达 33%,可见添加少量的滑石对试样的吸水率、收缩率和体积密度影响显著,能始著降低试样的烧结温度。

产生这种现象的原因主要是:根据表1原料的化学组成,不 加滑石的A1配方基本属于“K2O-A L203-si02”三元系统,滑石 中含有32。58%的Mg0成分,属于熔剂性氧化物,滑石的引入使系 统转化为“K2O-MgO-Al2O3-Si02”四元系统,最低共熔点进一步 降低,液相量随温度的升高增加速率加大,促进了烧结过程的进行;当滑石的添加量到达3%(D 1)时,产生的高温熔融液太多,且其周边的莫米石晶体溶解、侵蚀作用明显,降低厂晶相的含量,虽然密度较2%(CI)时略有增加,但抗弯强度明显降低。图1是CI和D1的XRD图谱,可见D1的莫来石明显较少。

2.2生铝矾土的含量对试样的烧结温度、抗弯强度的影响

选择抗弯强度较高的CI配方为研究对象,变化配方中生铝矾土的含量,研究增加生铝矾土的含量同时降低高岭上的含量对试样的烧结性能好抗弯强度的影响。配方设计见表4。图2是C1,C2和C3的烧结曲线(收缩率、吸水率和温度的关系)图,从图中看出,C1、C2和 C3分别在1320℃- 1340℃,1330℃- 1350℃和1340℃ - 1360℃时有较小的吸水率和最大的收缩率,即达到了烧结温度。配方C1、C2和C3的变化规律是生铝矾土含量依次增加,高岭上含量依次减少,即随着生铝矾土含量的增加,试样的瓷化温度也会随之上升。分析原因,根据表1生铝矾土与高岭土相比Al2O3含量较高,碱金属、碱土金属等熔剂性氧化物含量较低,所以试样的烧结温度随生铝矾土含量增加而提高。

图3为C1,C2,C3试样的抗弯强度随温度变化的曲线,从图中看出,C1,C2,C3的抗弯强度随温度的升高都出现先增大后减小的趋势,都在烧结状态下的抗弯强度最高,且在烧结状态下的抗弯强度的大小顺序为C3>C2>C1,即随着生铝矾土含量的增加而增大, C1在1320℃达到最高强度115。50MPa,C2在1330℃ 达到最高强度127。54MPa,C3在1340℃达到最高强度 139。22MPa。分析原吲原因,生铝矾土的矿物组成主要是水铝石和少量的高岭石,在加热至1320℃以上转化为刚玉和少量的莫米石晶体;高岭上在1320℃以上转变为莫米石晶体。烧结后试样中的刚玉含量随生铝矾土含量的增加而提高;又因为刚玉晶体的弯曲强度为450M a,高于莫来石晶体的弯曲强度IOOMPa,所以,试样的抗弯强度随配方中生铝矾土的含量增加而增大。

烧成温度选择对抗弯强度的影响

图3中还可以看出,配方相同的条件下,烧成温度选择在烧结的初期(烧结温度范围的下限附近)试样的抗弯强度最高,而后随烧成温度的提高试样抗弯强度逐渐降低。如C3试样1340℃时的抗弯强度最高达139.22MPa, 1350℃、1360℃、1370℃时依次降低为136.78M Pa、 134.60M Pa、128.80M Pa。分析原因,试样在烧结初期品相较多而玻璃相较少,而随着温度的进一步升高,试样巾的部分品相被熔融转化为玻璃相,而玻璃相的抗弯强度低于刚玉、莫来石等晶体的抗弯强度。所以,试样的抗弯强度在达到烧结温度后随烧成温度的升高而逐渐降低。

原料细度对试样性能的影响

为了研究原料细度对材料性能的影响,选择C3配方通过控制球磨时间调整原料的细度,得到C31、C32、 C33三种不同细度的坯料,同时在1340℃保温0.5小时的条件下烧成,烧后试样C31和C33的SEM照片如图4 和图5。图5中的晶粒平均尺寸小于图4,与原料的加上细度基本一致。试样的性能测试结果见表5,从表5中可以看出,随着原料平均粒度的降低,试样的吸水率逐渐减小,收缩率逐渐增大,抗弯强度也逐渐增大。

分析原因,陶瓷材料是采用粉料烧结的方法制造的,粉料的粒度越小,单位质量粉料的表面积越大,颗粒间的扩散距离短,容易致密化,仅需较低的烧结温度,另外,粉料的粒度越小,缺陷越多,表面能越高,活性也越大,叫促进烧结,又因为小的晶粒还能妨碍微裂纹的发展,有利于提高强度和断裂韧性,所以,随着原料平均粒度的降低,烧后试样的品粒尺寸会变小,收缩率会越来越大,试样的吸水率会越来越小,抗弯强度也会越来越大。

结论

(1)在所研究的范围内,在1320℃- 1360℃下能够制备抗弯强度110O - 140MPa的高强度陶瓷材料,且陶瓷材料的烧结温度随铝矾土含量的增加而升高,材料在烧结范围内的抗弯强度也随铝矾土含量的增加而升高。

(2)生铝矾上,伊利石,高岭土的质量分数分别为62%,2 6%,12%时,外加适宜的滑石有助于陶瓷材料的抗弯强度的提高以及瓷化温度的降低,最件添加量为 2wt。

(3)配方相同的条件下,烧成温度选择在烧结温度范围的下限附近烧成试样的抗弯强度最高,而后随烧成温度的提高试样抗弯强度逐渐降低。

(4)降低原料的颗粒细度能够促进烧结并提高材料的抗弯强度。配方:生铝矾上66%,伊利石26%,高岭上8%,外加2%滑石;原料平均粒度2.802um试样在1340℃保温0.5小时的条件下烧后抗弯强度达到139.22MPa。

本文摘自 《中国陶瓷》

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