傳統(tǒng)的礬土質(zhì)瓷是以熟鋁礬土為主要原料的“K2O -Al2O3-Si02”系統(tǒng)陶瓷材料，Al2O3含量為60 - 65%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），具有機(jī)械強(qiáng)度高、屯絕緣性能好、耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)度高壓電瓷、機(jī)械、石油、化上等領(lǐng)域。熟鋁礬土是由天然鋁礬上礦物經(jīng)過(guò)混料、細(xì)磨、成球、煅燒、再細(xì)磨等工藝制得。由于熟鋁礬上的生產(chǎn)能耗高、成本高、有一定的環(huán)境污染，導(dǎo)致傳統(tǒng)礬土質(zhì)瓷生產(chǎn)存在原料成本高、泥料可塑性不足等問(wèn)題。本文是研究直接以生鋁礬土為主要原料的“鋁礬土-伊利石-高嶺土”系新型礬土質(zhì)瓷的制備工藝，為礬土質(zhì)瓷生產(chǎn)開(kāi)辟一條新的途徑，以達(dá)到降低礬土質(zhì)陶瓷材料生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染的日的。
原料和配方
實(shí)驗(yàn)原料的化學(xué)組成如表1所示。
為了研究配方變化對(duì)材料性能的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的配方范圍(wt%)為：生鋁礬土62 - 66%、高嶺土8- 12%，伊利石26%，滑石O-3%。
按配方配料，然后按料：球：水（wt%)=1：2：1 的比例在以剛玉球?yàn)檠心ソ橘|(zhì)的球磨罐中球磨，球磨時(shí)間20 - 40min，平均粒度2.8 - 4.1 um，然后在烘箱中烘干，再經(jīng)過(guò)造粒后，在31MPa下干壓成型為試條，試條經(jīng)打磨修坯，干燥后放入電爐中在不同的燒成制度下燒成，冷卻后得到試樣。
采用日本理學(xué)D/max-3C自動(dòng)X衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相分析。采用日本電子JSM-6460型掃揣電鏡分析試樣的品微結(jié)構(gòu)。英國(guó)馬爾文M astersizer M icro粒度儀進(jìn)行物料粒度分析。湖南湘潭儀器儀表有限公司SGW數(shù)顯工程陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)儀測(cè)試試樣抗彎強(qiáng)度。
滑石里含有大量的Mg0，是一種很好的燒結(jié)助劑，有利于降低高鋁質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度、提高強(qiáng)度。本試驗(yàn)研究廠配方中生鋁礬土，伊利石，高嶺土的量不變的條件下，外加O -3%的滑石對(duì)坯體的燒結(jié)溫度、抗彎強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)配方見(jiàn)表2。1320℃保溫0.5小時(shí)燒后試樣的性能見(jiàn)表3。
由表2、表3數(shù)據(jù)可以看出，在燒成條件一定的條件下，滑石的添加量從O增加到3%，試樣的吸水率逐漸降低，收縮率逐漸增大、體積密度增大，抗彎強(qiáng)度呈先逐漸增大，后降低的趨勢(shì)，外加2%配方C1抗彎強(qiáng)度到達(dá)較高值115.50 MPa，3%時(shí)，抗彎強(qiáng)度下降到 87.38M Pa。添加量從O增至1%對(duì)性能的影響較為顯著，吸水率從4.83%減小為0.94%，收縮率從8.45%增加到11.75%，體積密度從2.56g/cm3增大到2.74g/cm3，抗彎強(qiáng)度由76.42MPa增大到101.73MPa，提高幅度達(dá) 33%，可見(jiàn)添加少量的滑石對(duì)試樣的吸水率、收縮率和體積密度影響顯著，能始著降低試樣的燒結(jié)溫度。
產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是：根據(jù)表1原料的化學(xué)組成，不 加滑石的A1配方基本屬于“K2O-A L203-si02”三元系統(tǒng)，滑石 中含有32.58%的Mg0成分，屬于熔劑性氧化物，滑石的引入使系 統(tǒng)轉(zhuǎn)化為“K2O-MgO-Al2O3-Si02”四元系統(tǒng)，較低共熔點(diǎn)進(jìn)一步 降低，液相量隨溫度的升高增加速率加大，促進(jìn)了燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)行；當(dāng)滑石的添加量到達(dá)3%(D 1)時(shí)，產(chǎn)生的高溫熔融液太多，且其周邊的莫米石晶體溶解、侵蝕作用明顯，降低廠晶相的含量，雖然密度較2%(CI)時(shí)略有增加，但抗彎強(qiáng)度明顯降低。圖1是CI和D1的XRD圖譜，可見(jiàn)D1的莫來(lái)石明顯較少。
2.2生鋁礬土的含量對(duì)試樣的燒結(jié)溫度、抗彎強(qiáng)度的影響
選擇抗彎強(qiáng)度較高的CI配方為研究對(duì)象，變化配方中生鋁礬土的含量，研究增加生鋁礬土的含量同時(shí)降低高嶺上的含量對(duì)試樣的燒結(jié)性能好抗彎強(qiáng)度的影響。配方設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。圖2是C1，C2和C3的燒結(jié)曲線（收縮率、吸水率和溫度的關(guān)系）圖，從圖中看出，C1、C2和 C3分別在1320℃- 1340℃，1330℃- 1350℃和1340℃ - 1360℃時(shí)有較小的吸水率和較大的收縮率，即達(dá)到了燒結(jié)溫度。配方C1、C2和C3的變化規(guī)律是生鋁礬土含量依次增加，高嶺上含量依次減少，即隨著生鋁礬土含量的增加，試樣的瓷化溫度也會(huì)隨之上升。分析原因，根據(jù)表1生鋁礬土與高嶺土相比Al2O3含量較高，堿金屬、堿土金屬等熔劑性氧化物含量較低，所以試樣的燒結(jié)溫度隨生鋁礬土含量增加而提高。
圖3為C1，C2，C3試樣的抗彎強(qiáng)度隨溫度變化的曲線，從圖中看出，C1，C2，C3的抗彎強(qiáng)度隨溫度的升高都出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，都在燒結(jié)狀態(tài)下的抗彎強(qiáng)度較高，且在燒結(jié)狀態(tài)下的抗彎強(qiáng)度的大小順序?yàn)镃3>C2>C1，即隨著生鋁礬土含量的增加而增大， C1在1320℃達(dá)到較高強(qiáng)度115.50MPa，C2在1330℃ 達(dá)到較高強(qiáng)度127.54MPa，C3在1340℃達(dá)到較高強(qiáng)度 139.22MPa。分析原吲原因，生鋁礬土的礦物組成主要是水鋁石和少量的高嶺石，在加熱至1320℃以上轉(zhuǎn)化為剛玉和少量的莫米石晶體；高嶺上在1320℃以上轉(zhuǎn)變?yōu)槟资w。燒結(jié)后試樣中的剛玉含量隨生鋁礬土含量的增加而提高；又因?yàn)閯傆窬w的彎曲強(qiáng)度為450M a，高于莫來(lái)石晶體的彎曲強(qiáng)度IOOMPa，所以，試樣的抗彎強(qiáng)度隨配方中生鋁礬土的含量增加而增大。
圖3中還可以看出，配方相同的條件下，燒成溫度選擇在燒結(jié)的初期（燒結(jié)溫度范圍的下限附近）試樣的抗彎強(qiáng)度較高，而后隨燒成溫度的提高試樣抗彎強(qiáng)度逐漸降低。如C3試樣1340℃時(shí)的抗彎強(qiáng)度較高達(dá)139.22MPa， 1350℃、1360℃、1370℃時(shí)依次降低為136.78M Pa、 134.60M Pa、128.80M Pa。分析原因，試樣在燒結(jié)初期品相較多而玻璃相較少，而隨著溫度的進(jìn)一步升高，試樣巾的部分品相被熔融轉(zhuǎn)化為玻璃相，而玻璃相的抗彎強(qiáng)度低于剛玉、莫來(lái)石等晶體的抗彎強(qiáng)度。所以，試樣的抗彎強(qiáng)度在達(dá)到燒結(jié)溫度后隨燒成溫度的升高而逐漸降低。
為了研究原料細(xì)度對(duì)材料性能的影響，選擇C3配方通過(guò)控制球磨時(shí)間調(diào)整原料的細(xì)度，得到C31、C32、 C33三種不同細(xì)度的坯料，同時(shí)在1340℃保溫0.5小時(shí)的條件下燒成，燒后試樣C31和C33的SEM照片如圖4 和圖5。圖5中的晶粒平均尺寸小于圖4，與原料的加上細(xì)度基本一致。試樣的性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，從表5中可以看出，隨著原料平均粒度的降低，試樣的吸水率逐漸減小，收縮率逐漸增大，抗彎強(qiáng)度也逐漸增大。
分析原因，陶瓷材料是采用粉料燒結(jié)的方法制造的，粉料的粒度越小，單位質(zhì)量粉料的表面積越大，顆粒間的擴(kuò)散距離短，容易致密化，僅需較低的燒結(jié)溫度，另外，粉料的粒度越小，缺陷越多，表面能越高，活性也越大，叫促進(jìn)燒結(jié)，又因?yàn)樾〉木Я＿€能妨礙微裂紋的發(fā)展，有利于提高強(qiáng)度和斷裂韌性，所以，隨著原料平均粒度的降低，燒后試樣的品粒尺寸會(huì)變小，收縮率會(huì)越來(lái)越大，試樣的吸水率會(huì)越來(lái)越小，抗彎強(qiáng)度也會(huì)越來(lái)越大。
(1)在所研究的范圍內(nèi)，在1320℃- 1360℃下能夠制備抗彎強(qiáng)度110O - 140MPa的高強(qiáng)度陶瓷材料，且陶瓷材料的燒結(jié)溫度隨鋁礬土含量的增加而升高，材料在燒結(jié)范圍內(nèi)的抗彎強(qiáng)度也隨鋁礬土含量的增加而升高。
(2)生鋁礬上，伊利石，高嶺土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為62%，2 6%，12%時(shí)，外加適宜的滑石有助于陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度的提高以及瓷化溫度的降低，較件添加量為 2wt。
(3)配方相同的條件下，燒成溫度選擇在燒結(jié)溫度范圍的下限附近燒成試樣的抗彎強(qiáng)度較高，而后隨燒成溫度的提高試樣抗彎強(qiáng)度逐漸降低。
(4)降低原料的顆粒細(xì)度能夠促進(jìn)燒結(jié)并提高材料的抗彎強(qiáng)度。配方：生鋁礬上66%，伊利石26%，高嶺上8%，外加2%滑石；原料平均粒度2.802um試樣在1340℃保溫0.5小時(shí)的條件下燒后抗彎強(qiáng)度達(dá)到139.22MPa。
本文摘自 《中國(guó)陶瓷》