贺俊

摘 要 采用莫来石为骨料，堇青石为基料制作堇青石—莫来石棚板，研究莫来石与堇青石配比、骨料种类、烧成温度等因素对材料抗热震性能的影响。

关键词 堇青石；莫来石；抗热震性能

0 前 言

随着低温快速烧成制度的推广，堇青石—莫来石窑具在我国现代陶瓷工业中已经得到了广泛的应用。堇青石—莫来石棚板以莫来石为骨料、堇青石为基料烧制而成。由于堇青石具有（SiO2）n圆环状结构，此结构中有较大的空隙，故具有热膨胀系数小的特点，而莫来石热膨胀系数大，导致两种材料的膨胀系数不匹配，使得两相界面形成微细裂纹，能有效降低温度变化产生的热应力，有效地避免了灾难性裂纹的扩散，极大地提高了堇青石—莫来石质耐火材料的热稳定性能；同时，由于莫来石晶体的耐火度高（熔点为1 810 ℃）、机械强度高（室温下抗弯强度为49 MPa），因此使用莫来石做骨料能有效地提高棚板的高温强度。

堇青石—莫来石棚板在使用过程中通常受到温度快速变化的影响，产生了较高的热应力，在热应力的长期作用下，使得棚板的强度逐渐降低，最终形成灾难裂纹的产生，使棚板开裂。因此，要缓解热应力增长对堇青石—莫来石棚板使用寿命的影响，就必须提高堇青石—莫来石棚板的抗热震性能。

本文采用不同粒度堇青石与莫来石为主要原料，加入适量的粘土和Al2O3，按不同比例混料制备出多个试样。通过对试样测试，研究在堇青石—莫来石棚板的制备过程中，原料、配方、工艺等因素对材料抗热震性能的影响，分析提高棚板寿命的措施。

1 实验部分

1.1原料

烧结莫来石（1～3mm）、电熔莫来石（1～3mm）、电熔莫来石（0～1mm）、合成堇青石（0～0.3 mm）、苏州土（机选1号）和Al2O3微粉

1.2样品制作

按不同配比进行配料，加入适量的水和成型助剂，在50Mpa压力下压制成150mm×40mm×10mm的标准试样，经干燥后烧成。

1.3性能测试

（1）试样的强度。采用三点弯曲法测量。

（2）抗热震性能的测试。将试样升至1 000℃后水冷，反复测试直至试样产生宏观裂纹的次数。

2 结果与讨论

2.1堇青石、莫来石比例对抗热震性的影响。

以电熔莫来石（1～3mm）、电熔莫来石（0～1mm）、合成堇青石（0～0.3 mm）为主要原料，其中电熔莫来石（1～3mm）、电熔莫来石（0～1mm）按1：1的比例先预混后使用，再加入堇青石，在保证其他条件相同的情况下，通过改变堇青石、莫来石的比例（质量比）制备出不同的样品，测试其抗热震性（见表1）。

从表1中可以看出，从A→C随着堇青石、莫来石比值的下降，材料中莫来石比例的上升，试样能经受的热震次数越多，材料的抗热震性越好。分析其原因，材料的抗热震性与其显微结构密切相关，在堇青石中加入莫来石，由于莫来石和堇青石的热膨胀系数不一致，试样在烧成后冷却的过程中产生的应力使莫来石颗粒和堇青石基质之间产生微裂纹。在试样经受热震的过程中，这些微裂纹可以吸收部分断裂功，并以准静态方式扩展，当热震裂纹扩展到这些微裂纹周围时将会分岔钝化偏转或停止生长。随着莫来石含量的增大，骨料和基质二者热膨胀系数差异增大，更利于在界面产生微裂纹，而且裂纹长度增大、数量增多，形成空间网络结构，因此试样的抗热震性能提高。

但是从C→F随着堇青石、莫来石比值的进一步下降，莫来石比例的进一步增加，试样能经受的热震次数反而越来越少。分析其原因：过多莫来石反而会缩小骨料和基质热膨胀系数的差异，不利于微裂纹产生。

总的来说，堇青石—莫来石棚板的抗热震性，与材料显微结构中微裂纹的产生情况密切相关。因此，通过调节莫来石与堇青石的比例，增大骨料和基质热膨胀系数的差异，有利于棚板的抗热震性能的提高。我们得出结论：在堇青石—莫来石棚板中，堇青石、莫来石的质量比在4：1时较为合适。

2.2骨料种类对抗热震性的影响。

在4份堇青石中分别加入1份电熔莫来石和1份的烧结莫来石，在相同的条件下制成样品，测试其抗折强度与抗热震次数（见表2）。

从中我们可以发现，采用电熔莫来石做骨料的试样，其抗折强度低于采用烧结莫来石的试样，但其抗热震性能更优。分析其原因：由于烧结莫来石的活性大大高于电熔莫来石，在烧成时具有更高的活性，制备出的样品强度更高。一方面，强度的提高常常伴随着弹性模量的提高，而弹性模量的提高会减弱试样缓冲热应力的能力；另一方面，强度高的试样在烧成后冷却的过程中，应力不足以使莫来石骨料和堇青石基质分离而产生微裂纹，因此形成的微裂纹数量少，抗热震性能也稍差。所以，采用电熔莫来石代替烧结莫来石做骨料可以提高堇青石—莫来石棚板的抗热震性能。

2.3烧成温度对抗热震性的影响。

按堇青石、莫来石质量比4：1配制原料，在相同的条件下制成坯体，在不同的温度下烧制成样品，测试其强度及抗热震性能（见表3）。

从表3中可以看出，随着烧成温度的提高，样品的抗折强度提高，抗热震次数降低。分析其原因：高温下烧成的样品烧结程度好，试样烧成后冷却的应力不足以使莫来石骨料和堇青石基质分离而产生微裂纹。因此，在高温烧成的样品产生的微裂纹数量少，因此其抗热震性能要大大低于烧成温度低的样品，使得试样的抗热震性能不如低温下烧成的试样。从表3中也可以看出在1 270℃～1 330℃之间抗热震次数降低不是特别明显，因此我们认为在1 270℃～1 330℃之间烧制样品较为合适。

3 结 论

（1）在堇青石—莫来石棚板中，堇青石、莫来石的质量比在4：1较为合适，此时材料的抗热震性能较好。

（2）采用电熔莫来石代替烧结莫来石做骨料，可以提高堇青石—莫来石棚板的抗热震性能。

（3）在堇青石—莫来石棚板的制备过程中，提高烧成温度，可以提高制品强度，但不利于抗热震性能的提高。

参 考 文 献

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