劉 寶 龍，趙 輝，張 源 源，楊 春 亮，王 志 強

(大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

喀左當?shù)禺a(chǎn)有大量的青石土，在生產(chǎn)日用陶瓷、建筑材料等方面青石土均可得到廣泛應(yīng)用。青石土的燒結(jié)工藝直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，青石土粉料的顆粒大小[1]、形狀、活性、團聚狀態(tài)等都與其燒結(jié)性能有著密切關(guān)系[2]，因此研究其燒結(jié)性能以及其粒度對燒結(jié)性能的影響具有重要的應(yīng)用意義。本實驗通過繪制青石土的燒結(jié)性能曲線以及燒結(jié)體斷面SEM分析，確定了青石土的最佳燒結(jié)溫度，研究了青石土的粒度對其燒結(jié)性能的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

青石土，取自遼寧省朝陽市喀左縣，通過XRF測試得其成分及質(zhì)量分數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 青石土成分及質(zhì)量分數(shù)Tab.1 Composition and content of Qingshi soil

1.2 燒結(jié)性能的測定

將青石土粉碎研磨成粉，過100目篩，不添加成型劑，在10MPa成型壓力下采用半干法[3]壓制成型為20mm×15mm×10mm的試樣，在80℃下干燥10h。將干燥后的試樣置于850、900、950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃下燒結(jié)，保溫30min后隨爐自然冷卻至室溫。

1.3 粉料粒度對燒結(jié)性能的影響

將粉碎后的青石土分別過60、80、100、120和140目篩，并將得到的不同粒度的青石土粉料成型后在1 050℃下燒結(jié)，保溫30min后隨爐自然冷卻至室溫。

1.4 分析測試

采用WCR－2D型差熱分析儀在20～1 300℃、10℃／min升溫速率下對青石土粉料進行DTA測試。

測量并計算不同溫度下和不同粒度的青石土樣品的線收縮率和吸水率，Archimedes法[4]測量樣品的體積密度和顯氣孔率。

采用D／Max－3B型X射線衍射分析儀，在管壓40kV、管流20mA下對青石土粉料在1 050、1 150℃下燒結(jié)后的樣品進行XRD測試。

采用JSM－6460LV型掃描電子顯微鏡對不同粒度的青石土燒結(jié)體斷面進行SEM分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 青石土DTA曲線分析

圖1為青石土在20～1 300℃下的DTA曲線。由曲線可以知道，在100℃左右出現(xiàn)兩個吸熱峰，此時青石土內(nèi)的普通吸附水發(fā)生脫水。在500～600℃有一較緩的吸熱峰，此時結(jié)構(gòu)水發(fā)生脫水。隨著溫度的升高，礦物分解放出氣體，但各氧化物之間不發(fā)生化學反應(yīng)。當溫度達到1 030℃左右時，出現(xiàn)較寬的吸熱峰，開始出現(xiàn)液相，促進晶型轉(zhuǎn)變。溫度繼續(xù)升高，氧化物熔化，并出現(xiàn)玻璃相。

圖1 青石土DTA曲線Fig.1 DTA curve of Qingshi

2.2 青石土燒結(jié)性能曲線分析

測量并計算不同溫度下青石土樣品的線收縮率和吸水率，Archimedes法測量體積密度和顯氣孔率可以獲得青石土樣品的體積密度與吸水率隨溫度變化曲線和青石土燒結(jié)性能曲線，見圖2、3。

圖2 青石土樣品的密度與吸水率隨溫度變化曲線Fig.2 The curve for density and water absorption of the Qingshi soil samples varies with temperature

圖3 青石土燒結(jié)性能曲線Fig.3 Sintering performance curve of Qingshi soil

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，青石土樣品的體積密度隨溫度的升高而增大，當溫度在1 050℃時，體積密度達到最大，為2.28g／cm3，溫度繼續(xù)升高，體積密度變?。磺嗍翗悠返奈孰S溫度的升高一直降低，在1 050℃時，吸水率為1.63%，當溫度繼續(xù)升高時，青石土樣品表面出現(xiàn)大量玻璃相，使得樣品基本不吸水。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，青石土樣品的線收縮率隨溫度的升高而增大，當溫度在1 050℃時，線收縮率達到最大，為10.79%，溫度繼續(xù)升高，線收縮率開始減小甚至出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象；青石土樣品的顯氣孔率隨溫度的升高一直減小，在1 050℃時，顯氣孔率為3.66%，當溫度繼續(xù)升高時，明顯出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，表面大量的玻璃相使得表面顯氣孔率趨近于0，但內(nèi)部膨脹有大量封閉孔，使密度反而降低。

綜上所述，青石土樣品的體積密度和線收縮率在1 050℃時達到最大值，分別為2.28g／cm3和10.79%，在1 050℃以上燒制時，均變??；吸水率和顯氣孔率隨溫度的升高一直減小。青石土樣品在1 050℃以上燒制時，樣品出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，高溫膨脹會使樣品空隙率增加、密度降低，嚴重者導(dǎo)致分層、開裂和變形。這對樣品的燒結(jié)致密和均勻顯微結(jié)構(gòu)的形成，產(chǎn)生持續(xù)的不利的影響[5]。所以，青石土的最佳燒結(jié)溫度為1 050℃。

2.3 XRD測試

對青石土粉料和1 050、1 150℃下燒結(jié)后的樣品進行XRD測試，如圖4～6所示。由圖4、5可以發(fā)現(xiàn)，1 050℃燒結(jié)后的青石土內(nèi)物相變化不明顯，主晶相皆為SiO2，部分氧化物發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)變，并出現(xiàn)了新物相 Al2(SiO3)3。Al2(SiO3)3具有低導(dǎo)熱率、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性等特點。由圖6可知，在1 150℃時，青石土內(nèi)主要為非晶態(tài)物相。

圖4 青石土粉料XRD圖Fig.4 XRD pattern of Qingshi soil powder

圖5 青石土1 050℃下燒結(jié)XRD圖Fig.5 XRD pattern of Qingshi soil sintered under 1 050℃

圖6 青石土1 150℃下燒結(jié)XRD圖Fig.6 XRD pattern of Qingshi soil sintered under 1 150℃

2.4 不同粒度的青石土燒結(jié)性能

2.4.1 粒度對青石土燒結(jié)性能的影響

將不同粒度的青石土粉料制成的坯體在1 050℃下燒制、測量并計算不同粒度的青石土樣品的線收縮率和吸水率，Archimedes法測量體積密度和顯氣孔率，可得各指標隨粒度變化曲線，見圖7、8。由兩圖可以發(fā)現(xiàn)，隨青石土粉料粒度的減小，其燒結(jié)體體積密度和線收縮率逐漸增大、吸水率和顯氣孔率逐漸減小，其變化趨勢趨于平緩，當粉料粒度在100目以下時，四項指標均變化不大。

圖7 坯體與燒結(jié)體體積密度隨粒度變化曲線Fig.7 The curve for bulk density of green body and sintered body varied with granularity

圖8 燒結(jié)體線收縮率、吸水率、顯氣孔率隨粒度變化曲線Fig.8 The curve for linear shrinkage rate，water absorption rate and significant porosity rate of sintered body varied with granularity

2.4.2 不同粒度的青石土燒結(jié)體斷面SEM分析

將不同粒度粉料制成的青石土樣品在1 050℃下燒制，對燒結(jié)體斷面在50倍鏡下進行SEM測試，得到燒結(jié)體斷面顯微結(jié)構(gòu)，見圖9。

圖9 不同粒度料燒結(jié)體斷面掃描電鏡圖Fig.9 SEM images of different size powder sintered bod

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)體內(nèi)部致密度從大至小依次為e＞d＞c＞b＞a，燒結(jié)程度由高到低依次為e＞d＞c＞b＞a。當粉料粒度在100目以上時，燒結(jié)體內(nèi)部依然存在大量的孔隙，所以燒結(jié)體體積密度較小，吸水率較高，燒結(jié)體的性能較差，應(yīng)用價值不高；當粉料粒度在100目以下時，燒結(jié)體內(nèi)部明顯更加致密，具有較大的體積密度和較低的吸水率，在140目以下時，燒結(jié)體已沒有明顯的孔隙，燒結(jié)體具有良好的力學性能。

3 結(jié) 論

(1)在1 050℃下，青石土燒結(jié)體的體積密度和線收縮率最大，吸水率和顯氣孔率數(shù)值較低，且無過燒現(xiàn)象出現(xiàn)，所以青石土的最佳燒結(jié)溫度為1 050℃。

(2)在1 050℃下，隨青石土粉料粒度的減小，其燒結(jié)體的體積密度和線收縮率增大、吸水率和顯氣孔率減小。當青石土粉料粒度在100目以下時，樣品的斷面顯微結(jié)構(gòu)均較為致密，其燒結(jié)體具有較好的燒結(jié)性能。

[1]LANGE F F.Sinterability of agglomerated powder[J].Journal of the American Ceramic Society，1986，67(2)：83－85.

[2]陳昆剛，林祖纕，徐孝和，等.Al2O3的粉末特征對β″－Al2O3燒結(jié)性能的影響[J].無機材料學報，1997，12(3)：327－330.

[3]劉芝品.半干法相對硬塑濕法成型優(yōu)勢分析[J].磚瓦世界，2007(10)：30.

[4]李達，陳沙鷗，邵渭泉，等.利用主燒結(jié)曲線預(yù)測TiO2陶瓷無壓燒結(jié)顯微組織演變[J].硅酸鹽通報，2007，26(5)：994－997.

[5]秦麟卿，吳伯麟.α－Al2O3顆粒形貌對其坯體燒結(jié)性能的影響[J].武漢理工大學學報，2006，28(2)：7－9.