毕业设计论文利用高铝阳粉煤灰合成堇青石陶瓷材料的制备研究

1、 利用高铝粉煤灰合成堇青石陶瓷材料的制备研究专业：材料科学与工程学生：张政指导老师：马立建 摘要利用高铝粉煤灰（Al2O337.22%、SiO246%）为主要原料制备堇青石，添加适量的镁砂工业烧结镁砂（MgO98.2%），以及少量的硅微粉（SiO2 96%），按照堇青石的理论配方（MgO 13.8%,Al2O3 34.9% ,SiO2 51.3%）进行配比。试样通过压力成型机进行压制成型，成型压力为120MPa。烧结试样分别在1150,1200,1250,1270,1290,1310六个温度下进行。烧结试样删除通过对烧结试样的力学性能、热学性能和微观结构的分析，确定制备堇青石的最佳烧结工艺烧结工艺路线。实验结果表明：以粉煤灰、硅微粉和工业烧结镁砂为原材料，通过对烧结体进行X-射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析，发现成功合成了堇青石陶瓷材料。通过对烧结体进行X-射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析，结果表明: 以高铝粉煤灰、工业烧结镁砂和硅微粉为原料,成功合成了堇青石陶瓷材料。烧结体中主要以-堇青石和-堇青石相存在，还有少量的镁铝尖晶石，蓝晶石，铁堇青石，印度石

2、等矿物相生成。.抗压强度，体积收缩率，体积密度，随温度的升高而增大；气孔率，吸水率则随温度的升高而降低；线膨胀系数先随温度升高而降低，当烧结温度达到1200时，线膨胀系数略有提升。关键词：堇青石，微观结构，陶瓷材料，热膨胀系数AbstractUse high-alumina fly ash（Al2O3 37.22%、SiO2 46%）as the main raw material preparation of cordierite, add appropriate amount of magnesite (MgO 98.2%), as well as a small amount of Silicon Powder (SiO2 96%) In accordance with注意英语语法问题 the theoretical formulation of cordierite (MgO 13.8%, Al2O3 34.9%, SiO2 51.3%) to the ratio,.Sample through pressure molding machine pressing, moldin

3、g pressure 120MPa. And were sintered at 1150,1200,1250,1270,1290,1310six temperature. Sintered samples sintered samples through mechanical properties, thermal properties and microstructure analysis to determine the optimum sintering process cordierite Experimental results show that: Fly ash, silica fume and industrial sintered magnesia as raw material, through the sintered body X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analysis, we found successfully synthesized cordierite c

4、eramic material. Sintered body mainly in the -cordierite and cordierite phase exists, there is a small amount of magnesium aluminate spinel, kyanite, iron cordierite, India stone and other mineral phase formation. strength, the volume shrinkage ratio, bulk density, with the increase of the sintering temperature; porosity, water absorption with the sintering temperature is decreased; linear expansion coefficient of the first with temperature decreases when the sintering temperature reaches 1200 ,

5、 the linear expansion coefficient of a slight increase.Key Words:cordierite, microstructure, ceramic materials, the thermal expansion coefficient目录Abstract不用体现在目录中Abstract21绪 论41.1 研究目的及意义361.2堇青石的结构性能及研究进展81.3 堇青石材料的制备101.3.1天然矿物高温固相反应合成堇青石131.3.2氧化物高温固相反应法合成高纯堇青石161.3.3湿化学法合成高纯堇青石粉体171.4 堇青石陶瓷材料的应用181.5 堇青石陶瓷制备中存在的问题192 实验方案及内容202.1 实验原料的选择202.2 合成堇青石原料配方设计及计算212.3 原料的粉磨222.4 坯料的制备与成型222.5 烧成222.6 性能测试与分析232.6.1 烧成收缩率的测试232.6.2体积密度、显气孔率和吸水率的测试232.6.3 抗压强度测试242.6.4 XRD分析242.6.5 扫描电镜观察252.7 实验设备

6、262.8 工艺流程273 实验结果分析与讨论283.1 体积收缩率283.2体积密度、显气孔率和吸水率的测试293.3 抗压强度313.5 XRD分析333.6 试样SEM分析353.7 结论37参考文献38致谢391绪 论堇青石陶瓷具有低的热膨胀系数1,高的化学稳定性、抗热震性,以及一定的机械强度,而被广泛的用作窑具、电子器件和微电子封装材料；此外,由于其具有良好的吸附性能,与各种催化剂活性组分的匹配性良好,以及孔壁薄、几何表面积大等特点,可用于制备多孔材料如蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷,作为净化废气的理想催化剂载体和过滤装置,用于汽车尾气净化、金属熔体过滤、超细粒子过滤、催化燃烧、热交换等化学加工过程。人们多采用高岭石、滑石等矿物原料和工业氧化铝来合成堇青石陶瓷。国外已有报道，利用粉煤灰来合成堇青石，国内还未见到有相关报道。粉煤灰为火力发电厂排放的固体废弃物，它占用耕地、污染空气，是世界各国亟待解决的环境问题。据统计，2000年我国粉煤灰的排放量已达到1.6亿吨，如何合理开发利用粉煤灰资源，变废为宝，是需要深入研究的重要课题。据悉，中国地质大学材料科学与化学工程学院课题组，日前已成功地利用

7、粉煤灰为主要原料制备出具有优良抗热震性能的堇青石微晶玻璃材料。为陶瓷工业合理利用粉煤灰，缓解环境污染，降低陶瓷制作成本，开辟了新途径，具有良好的推广应用价值。粉煤灰主要来自以煤粉为原料的热电厂和城市集中供热锅炉。每1t煤燃烧就会产生250300kg粉煤灰和2030kg炉渣。据中国煤炭工业协会统计,2007年全国原煤产量已达25.5亿t，比2002年的14.15亿t增长80.2%,年均煤炭产量涨幅达12.5%，煤炭在我国一次性能源生产和消费结构中的比重分别占76%和69%。随着我国电力工业的快速发展,粉煤灰的排放量日益增长。据报道, 2007 年底全国火力发电总量为5.54亿kWh, 按消耗煤357g/(kWh),以及煤的发热效率40%计算,估计粉煤灰排放量达5.05.5亿t。粉煤灰排放量的日益增加导致占地和水资源浪费,且由此产生的环境负荷也日益加重。因此,如何更高效地利用粉煤灰成为近年来国内十分关注的重要问题2。低膨胀系数可以提高陶瓷材料抗热震性和韧性等，克服了陶瓷材料固有缺点。因此，本文利用高铝粉煤灰制备膨胀系数较低的堇青石陶瓷材料，研究低膨胀系数的堇青石陶瓷已成为比较热点的课题。本

8、次试验是通过扫描电子显微镜对堇青石陶瓷材料的微观结构进行研究。从而对堇青石陶瓷的合成有进一步的了解和认识。1.1 研究目的及意义3 先进陶瓷材料具有其它材料如金属材料、高分子材料等不可比拟的优点：耐高温、抗氧化、耐磨损、高硬度、不老化等，得到人们的广泛重视，并正逐渐在克服其固有的缺点(一般抗拉强度低、韧性差、工艺重复性差)的过程中有惊人的发展。陶瓷的耐高温、耐磨损等优点，已经在现代工业中被广泛应用于各种高温环境中。 正是由于先进陶瓷材料具有美好的发展前景和广阔的应用领域， 世界上各先进国家都对其投入密切的关注， 并积极研究将其作为燃气轮机、汽车发动机和其它热机的结构材料，逐渐将其推向实用化。目前陶瓷材料不仅在钢铁工业、汽车工业、原子工业、切削刀具工业部门，在生物以及日常生活等领域也广泛被应用，尤其是在高温、耐磨、腐蚀性等苛刻环境中更是大显身手。 陶瓷材料虽然具有上述的诸多优点，但是也存在明显的不足之处。陶瓷材料大多数为脆性材料，抗热震性能较差，而抗热震性能的优劣与材料的热膨胀系数密切相关，热膨胀系数愈小，其耐热冲击能力愈强4。 在陶瓷材料中， 材料的强度与材料的抗热震性能往往成相反发展

9、的趋势，也就是说，强度高的材料其抗热震性能一般都很差。在高温环境中，尤其是伴随有急剧的加热和冷却的高温环境，需要材料具有良好的抗热震性能，这种情况下一般的陶瓷材料就难以胜任。如在各种冶金厂里盛装液态金属的容器就不可避免地在急冷急热条件下工作，因此研究具有高抗热震性能材料是具有实际意义的工作W.D.Kingery 5曾指出材料的抗热震性主要取决于材料的热膨胀系数和热传导率。在热移动速度大的时候，热膨胀系数对材料的抗热冲击起决定作用 6 。提高无机非金属材料的抗热震性能，最有效的方法就是降低材料的热膨胀系数， 因而低热膨胀系数材料倍受青睐。 从室温-1000的热膨胀系数小于210 -6 -1 的陶瓷材料，有石英玻璃、锂辉石、堇青石、磷酸锆以及钛酸铝等。其中，堇青石以低的热膨胀系数、良好的高温稳定性和化学稳定性以及介电性质，已在冶金、电子、汽车、化工、环境保护等领域获得广阔的应用前景。近年来，各种小型换热器和汽车排气用的催化剂载体的开发应用，使低热膨胀的堇青石陶瓷材料受到人们极大的关注。以我国汽车尾气催化净化器的应用为例，据初步估计，蜂窝陶瓷过滤器的年消耗量约80万套，相应的催化转化器销售额约为3亿美元以上。目前工业上普遍使用的天然矿物高温合成堇青石制备工艺的能源消耗大，成本高，对设备要求高。因此，积极研究降低合成温度的方法具有非常重要的意义。堇青石蜂窝陶瓷主要应用于环境温度急剧变化的场合(如作为汽车尾气催化净化器载体)，这与其具有优良的抗热震性能(抗热冲击性能)是密不可分的。材料的抗热震性能不仅受热膨胀系数、热导率、强度、弹性模量及泊松比等影响，还与材料的尺寸、形状、加热及冷却条件有关。其中，材料的热膨胀系数是关键因素之一，特别是在热流速率较大的环境里，抗热冲击性能的优劣主要取决于热膨胀系数的大小。因此，降低热膨胀系数是提高抗热冲击

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