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莫来石的性能及应用

  1.技术前沿

  莫来石是Al2O3和SiO2组成的二元固溶体化合物,是二元相图中最稳定的化合物。图1为Al2O3-SiO2的二元相图,经过对莫来石化学成分的研究,发现其成分不仅仅为3Al2O3·2SiO2一种结构,根据其通式Al2(Al2+2xSi2-2x)O10-x可知,随x值的改变莫来石组分会相应发生变化,形成富硅或富铝的莫来石。图2为莫来石晶体结构示意图,可见,沿c轴方向由AlO6八面体共边组成,同时与SiO4四面体和AlO4四面体共顶交联,因此,沿c轴方向莫来石晶体的生长速率较快,在没收到什么外部阻力的情况下,易发生明显的异向生长。莫来石具有抗热震性能好、高温蠕变小、高温性能损失小,化学性质稳定等优良性质。

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  图1氧化铝和二氧化硅的二元相图

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  图2莫来石晶体结构示意图

  2.莫来石的烧结性

  由于莫来石晶格中Al3+和Si4+的互扩散速率小,因此以莫来石粉为原料,采用电熔法和烧结法得到的莫来石烧结性很差。为获得性能优良的莫来石,其煅烧温度约1700℃,如此高的烧成温度使生产成本大大增加,因此人们纷纷通过细化加入的原料或引入烧结助剂这两种方式来降低其烧成温度,但通过细化原料的方式来提高其烧结性能有限,于是主要引入烧结助剂(TiO2、Y2O3、MnO等),通过置换莫来石固溶体中的Al3+造成莫来石晶体发生晶格畸变,活化晶格或形成低温液相的方式来提高扩散系数,降低莫来石的烧结温度。

  3.莫来石的应用

  莫来石是一种性能优良的耐火原料。除此之外,莫来石还是一种高温结构材料,在其他行业也广泛应用。

  (1)莫来石耐火材料

  莫来石作为一种性能优异的耐火材料,具有熔点高、高温强度大、热膨胀系数低、抗热震性优良等,使其成为许多工业领域的耐火材料。作为骨料的莫来石,被广泛应用于冶金、玻璃、陶瓷等领域。在冶金工业,莫来石可用于热风炉砖或窑具砖;在玻璃工业,莫来石可用在玻璃容器、给水器及玻璃窑的顶部等结构;在陶瓷领域,莫来石可用于高温结构陶瓷;在燃气工业,莫来石可用在油气化设备及所有气化车间炼焦炉、燃气发生器中。莫来石砖可作为熔炉窑、鼓风炉、以及连续浇铸炉上部分内衬的主要组成。在日本,利用熔渣制成的垫板被应用于窑炉内衬,这种ZrO2/Al2O3/莫来石熔渣ZrO2含3~6wt%,SiO2<20wt%,且具有优良的抗腐蚀性和抗热震性。

  (2)莫来石涂层

  许多陶瓷、金属材料,长期处于高温、还原、氧化等环境中会发生损坏。这类问题可通过在材料表面涂一层在使用环境中能够保持稳定的化合物涂层材料来解决。莫来石的化学性质稳定性,抗腐蚀性好,优异的性能使其广泛应用在化合物涂层等方面。

  (3)莫来石复合材料

  由于莫来石具有优异的高温力学性能、化学稳定性、抗蠕变性、抗热震稳定性、热膨胀系数低等,广泛在高温热材料领域应用。但是莫来石没有位错滑移系统,当外加载荷超过一定限度时,内部会产生较多微裂纹消耗能量,使莫来石陶瓷发生灾难性破坏,所以如何增韧莫来石材料成为近年来研究的热点。国内外研究人员关于莫来石复合材料进行了大量研究,并在莫来石增韧领域取得了一定的成果。莫来石复合材料包括莫来石基体、莫来石纤维等。莫来石复合材料可降低莫来石材料体系固有脆性,提高其强度和韧性。经过多年努力,通过颗粒增强(SiC、ZrO2)或片状来提高莫来石基复相材料的热力学行为,并在莫来石增韧方面取得了一定的进展。


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