堇青石-莫来石复合材料的合成与制备
秦梦黎
摘要：本文阐述了堇青石-莫来石复合材料的合成与制备的方法，以及其在棚板、窑具、陶瓷方面的应用。并且，结合这些方法的优缺点，本课题以蓝晶石、滑石为原料制备出堇青石-莫来石复合材料。 关键字：堇青石-莫来石复合材料，合成，应用，窑具，陶瓷
Abstract：This paper describes the cordierite - mullite composite material synthesis and preparation methods, and
its application in the shed board, kiln furniture, ceramics.And, combined with the advantages and
disadvantages of these methods, the kyanite, talc as prepared cordierite - mullite composites. Key words:cordierite - mullite composites,synthesis,application,kiln furniture, ceramics
引言
随着科学技术的飞速发展，世界各国掀起了一场新技术革命，新材料作为一切新科技
成就的基础备受各国学者重视。陶瓷是人类生活中不可缺少的一种材料，近年来随着陶瓷生产技术的改进，人们开发研制了各种高性能窑具来满足陶瓷工业在研发陶瓷新材料方面的发展。
堇青石具有热膨胀系数小、抗热震稳定胜好等优点。但堇青石韧性较低、荷重软化点低和合成温度范围窄(仅25℃)，仅在其熔点(1460℃)非常窄范围内才信镜结，用传统方法如不采用偏离堇青石组成或添加烧结助剂的方法，很难获得致密的纯相堇青石陶瓷，因而大大地限制了其优良性能的发挥。而莫来石高温性能好和机械强度高，将堇青石与莫来石复合是提高其高温性能的有效措施。所以合成堇青石—莫来石复合材料是开展此项研究的基础之一。
1 堇青石
堇青石化学组成为2MgO·2A12O3·5SiO2，是一种硅酸盐矿物，在自然界中分布较广，但含量较低，很少富集成矿。工业上所使用的堇青石大多为人工合成，具有开采价值的天然的堇青石大矿床至今没有找到。
表1-1为堇青石材料的性能，由于它具有较低的热膨胀系数和良好的热稳定性，抗热震性好等优点[1]-[7]，因而得到了广泛的应用。常作为抗热震材料被广泛应用于汽车尾气净化装置、催化剂载体、耐热涂层、热交换机材料、电子封装材料、泡沫陶瓷、印刷电路板等，以及一些冷热骤变的环境中，比如陶瓷换热器、热风炉、匣钵、棚板、支柱砖等等[8]-[15]。
表1-1 堇青石的性能 Tab.1-1 The properties of cordierite
2 莫来石
莫来石莫来石是A12O3?SiO2系中在标准大气压下从室温到高温唯一稳定的晶相，莫来石为斜方晶系，晶体中硅铝氧结构是由[SiO4]四面体连接成的双链，连接一条条双链的是六配位的铝离子。由于莫来石的结构为双链状排列，故它的晶体一般呈针状、柱状结构，在一些高铝质，特别是电熔奠来石中可形成密集交错的针状莫来石结晶网。性能：莫来石材料由于其优越的性能:耐火度高、热震稳定性好、热膨胀系数低、高温抗蠕变性好、具有很高的耐磨性及耐剥落、耐侵蚀性等，其应用极其广泛。但天然存在的莫来石矿物很少，一般多采用人工合成的莫来石原料。
表1-2 莫来石的性能 Tab.1-2 The properties of mullite
3 堇青石-莫来石复合材料
堇青石的热膨胀系数小(25~1 000℃下约为1×10-6～2×10-6℃-1)，抗热震性和化学稳定性
好，但其耐火度较低，且在1470℃会发生分解,莫来石的耐火度高，热膨胀系数大
-1
(4.5×10-6℃)。可见，堇青石与莫来石的膨胀系数相差较大，可在堇青石-莫来石复合材料
中产生微裂纹而对材料的抗热震性能有利[16]。 3.1 堇青石-莫来石复合材料的合成工艺
由于堇青石的生成温度和分解温度较为接近。也就是说堇青石的烧成范围比较窄，在
较低温度下没有明显的堇青石生成，提高烧成温度则会导致大量的玻璃相生成。所以，在莫来石-堇青石窑具生产中，为了减少玻璃相，提高窑具的热稳定性，便于生产中控制烧成过程，多选用合成堇青石和合成莫来石作原料。在成型工艺上，由于注浆成型可采用高压注浆成型、机压成型。考虑到烧成过程中窑车或辊棒的振动会引起窑具的形状有变形，抗折强度
下降，使窑具特别是棚板的使用效果明显降低，窑具一般不在辊道窑和隧道窑中烧成，而多在梭式窑中烧成，烧成温度一般为1380℃。采用台成原料来生产莫来石一堇青石窑具工艺简单、产品性能稳定、价格适宜，能满足制品烧成的温度和快速升降温的要求，是现代建筑卫生瓷耐火窑具发展的方向[17]。
1.目前，国内外对堇青石一莫来石质窑具的研究已有不少，其制造方法一般可归纳为以下3种：(1)分别预合成堇青石和莫来石熟料，经配料、成型后烧成；(2)先预合成莫来石熟料作为骨料，再在基质中原位生成堇青石；(3)直接原位合成堇青石一莫来石复合材料[18]。
2.目前，堇青石一莫来石复相陶瓷材料最常见的制备方法主要有两种：一种是采用高铝熟料，用堇青石作结合相；另一种是采用堇青石熟料，用黏土作结合剂。但高铝熟料和黏土的使用，在复相陶瓷材料中带入了较多的杂质，影响了材料的抗热震性[19]。
3.通过悬浮液分层法制备堇青石-莫来石复合材料
以高岭土、氧化铝和滑石作为生产堇青石的原材料。而高岭土和氧化铝被用于生产莫来石。将原始材料高温性按特定化学计量的混合比例混合制成悬浮液（图一）。
4.通过加入预制的莫来石粉来制备堇青石-莫来石复合材料
为了用预制的莫来石粉末生产堇青石-莫来石复合材料，首先，用高岭土和氧化铝粉末合成莫来石粉末。开始将粉末在氧化锆球形容器中在水中混合lh，然后在l450℃条件下焙烧4h[20]（图二）
5.溶胶凝胶法[21]
使用纳米原料可在1300℃下合成堇青石-莫来石复合相。
3.2 堇青石-莫来石复合材料的应用
3.2.1 在窑具方面的应用
窑具是在陶瓷产品和磁性材料的烧成工序中起支撑和保护作用的一种异型耐火材料，
主要包括匣钵、棚板、垫饼、立柱和推板等。窑具的性能直接影响到陶瓷等被烧成对象的质量和生产成本。一般窑具材料应具备以下基本性能：
（1）高耐火性、良好的抗热震性及化学稳定性。现代陶瓷的烧成向快烧方向发展，抗热震性显得尤为重要；高温化学稳定性好的窑具不易与制品发生反应。
（2）常温和高温强度大。窑具的作用之一就是承重，必须经受住制品及窑具本身的负荷；高强度窑具材料可使窑具做得又轻又薄，以提高装窑密度，改善制品质量。
（3）良好的导热性和低蓄热性。制品的生产趋向优质、高产、低耗，烧成工艺趋向快速，这就要求窑具蓄热少，传热快。
（4）外观规整，尺寸精确。产品烧成变形与匣钵$平整度有关；匣钵尺寸精确，有利于机械化操作，提高生产效[22]。
窑具是用于支撑、保护陶瓷制品烧成的异型耐火材料，对陶瓷制品的质量和陶瓷工业能耗有着极其重要的影响。随着陶瓷工业烧成技术由传统的匣钵烧成到明焰无匣烧成技术的转变，对优质陶瓷窑具材料——棚板的需求日益增加。堇青石虽热膨胀系数小、热稳定性好，但其荷重软化温度低，适用温度范围小。莫来石、碳化硅等制品虽高温性能好，但其成本高。利用红柱石在高温下的莫来石化作用，通过添加SiC及少量人工合成莫来石能明显改变堇青石质陶瓷窑具材料的组织结构，提高高温性能，降低窑具材料的成本[23]。堇青石和堇青石-莫来石质窑具堇青石属环状结构硅酸盐。由于结构中四面体联结为特殊螺旋状的六元环，故结构中有较大空隙。当质点受热时，可向空隙处振动，所以堇青石质窑具有热膨胀系数小和抗热震性优异的特点。但是，堇青石是一种不稳定的化合物，在 分解为莫来石和玻璃相，且烧成温度范围狭窄，高温性能较差。而莫来石材料耐火度高，高温稳定性好 。堇青石与莫来石两者热膨胀系数的失匹配，在两相接口形成微裂纹，使得材料具有优良的抗热震性及较好的高温性能。因此，目前国内外高档陶瓷窑具普遍使用堇青石莫来石复合材料。
3.2.2 在棚板方面的应用
棚板作为支撑瓷件的专用窑具，一直是陶瓷工业中一种重要的辅助材料，材质多为抗热
震性好、高温性能优良的堇青石一莫来石复合材料。堇青石一莫来石棚板是以奠来石和堇青石为原料烧结而成的。其机理砸于由于堇青石的环状结
构有较大的空隙使其具雨比莫来石小得多的热膨胀系数，两者的膨胀系数匹配，使得两相界面形成微细裂纹，阻止了破坏性裂纹的扩展，从而极大 地提高了堇青石一莫来石棚板的热稳定性能[24].
3.2.3 在陶瓷方面的应用
高岭土为主要原料，探索合适的工艺制备用于过滤铝液的泡沫陶瓷。堇青石具有热膨胀系数小、热震稳定性好等优点，但其高温性能较差。利用原料中的高岭土和部分α?Al2O3。微粉原位生成莫来石，形成堇青石-莫来石复相结构，从而得到强度高、热震性能好的泡沫陶瓷制品[25]。
4 实验方案
4.1 实验原料