红柱石制备莫来石晶须的研究

兰州理工大学硕士学位论文

红柱石制备莫来石晶须的研究

姓名:耿海涛申请学位级别:硕士专业:材料学指导教师:阎峰云

20120606

曼曼曼曼量皇曼曼量曼曼曼皇曼皇曼皇量舅量吕曼量量曼曼曼鼍置量曼曼皇曼量曼量曼鼍鼍ii硕十学位论文aalaa._i曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼置量曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼量摘要莫来石具有高温强度大、抗蠕变、热膨胀系数小和抗热震性好等特点,因此具有耐高温、耐磨损、抗氧化等优良性能,所以莫来石晶须是一种性能优异的复合材料增强体,可以用于提高金属和陶瓷基复合材料的综合性能。而且与非氧化物晶须相比,莫来石晶须具有优异的抗氧化性,能够在高温氧化条件下使用。本文对红柱石制备莫来石晶须以及莫来石晶须的应用进行了研究。红柱石矿粉莫来石化研究表明,单纯红柱石矿粉在1500℃时,才完全转化为莫来石和B.石英相。在红柱石矿粉中加入氧化铝有助于消耗多余的Si02,促进红柱石的二次莫来石化反应。’外加剂对红柱石莫来石化后莫来石形态的影响表明,加入一定量外加剂心3的,可以降低红柱石完全莫来石化的温度。适量增加外加剂AIF3的含量,可以使红柱石矿物在相对较低的温度下发生完全莫来石化。莫来石晶粒的长径比与反应时气相中氟化铝的浓度有一定的关系。配方为M3(68wt%红柱石+32wt%氧化铝),外加6wt%心3,在1400℃保温4h时,成功利用红柱石制得了莫来石晶须。所制得的莫来石晶须直径为0.5.2.0pm,长径比为20-40。但是莫来石晶须的尺寸还不够均匀,并夹有杂质,需要迸一步优化处理。当外加剂为氟化铝时,莫来石晶须生长可能遵循的是气固(Vapor-Solid)生长机理。加入氧化镁后,未发现对红柱石莫来石化后莫来石形态有明显的影响。加入氧化硼后,得到尺寸相对均匀的短小莫来石晶粒,且随着氧化硼加入量的增加,莫来石晶粒尺寸有减小的趋势。莫来石晶须应用研究表明,随着莫来石晶须含量的增加,陶瓷材料的抗折强度均有一定程度的提高,出现了先增加后缓慢降低的现象。当莫来石晶须加入量为20wt%时,材料的抗折强度最大,可达105MPa。同时材料的抗热震性也有增大的趋势,当莫来石晶须加入量为30wt%时,材料的抗热震次数最多,可达26次。说明莫来石晶须的加入确实对基体材料起到了增强的作用并提高了材料的抗热震性。关键词:红柱石;莫来石;晶须;氟化铝;复合材料I。。mmmmmmN鼍曼皇毫曼皇量皇鼍曼舅曼皇曼蔓曼曼量曼鼍曼曼曼曼皇曼鼍曼璺曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇红梓石制备奠来石品须的研究AbstractMullitehashi【曲strength,excellentcreepresistance,lowcoefficientofthermalcarlexpansionandgoodthermalshockresistance;thereforeitbeusedunderhiglltemperature,wearandoxidationconditions.Accordingly,mullitewhiskersreinforcement,whichceramicmatrixcarlareexcellentcompositemetalorbeusedtoimprovethecomprehensiveperformanceoftheoxidationcomposites.Compared晰廿lCanbeusednon-oxidewhiskers,mullitewhiskerhasexcellentintheresistancetooxidationandhi曲temperatureconditions.Preparationofmullitewhiskersfromandalusiteandapplicationofmullitewhiskersinceramicmatrixcompositewerestudiedinthispaper.shownthatMullitizationofandalusitehadconvertuntilat1500℃CantheandalusitecompletelyadditionofaluminainintomulliteandB-quartzphase.neandalusitehelpedconsumeexcessSi02andpromotedtheprocessofmullitizationofonandalusite.Effectsofadmixturestemperatureofmullitizationfluoride.Increasedthemineralmullitizationofandalusitereducedwithadditionofalsohadbeenstudied.TheaCanbecertainamountofaluminumcontentofaluminumfluorideappropriately,mullitizationofandalusiteaoccurredrelativelyatlowertemperature.Thereisrelationshipbetweenaspectratioofmullitegrainandconcentrationofaluminumfluorideinthegasphase.Mullitewhiskersratioof、析thadiameterof0.5—2.Olnn(aspect20-40)werepreparedsuccessfullyundertheconditionofsinteredatM3(68wt%andalusite+32wt%alumina),plus6wt%ofaluminumfluoridenot1400℃for4hours舶mandalusite.However,thesizeofmullitewhiskersiSuniformandtherearesomeimpurities.Sothefurtheroptimizationprocessisneeded.111epossiblegrowthmechanismsofmullitewhiskermaywhenaluminumfluorideWaSadded.’beVS(Vapor-Solid)growthmechanismSignificantchangeinmorphologyofmulliteWasnotfoundbyaddingmagnesiumoxideintheprocessofmullitizationofandalusite.Shortmullitegrainswithrelativeuniformsizewereobtainedbyaddingsomeboronoxide,whichWaseffectiveindecreasingtheaspectratioofmulliteparticle.Applicationofmullitewhiskershadmaterialsreinforeedbymullitewhiskerhadofmullitewhiskerwas20wt%,thebeenstudied.nebendingbeenimprovedtobendingsomestrengthofceramictheextent.When105MPaamountCanmaximumstrengthWasobtained.Thermalshockresistanceofthematerialsalsomosttohadbeenenforced.ThetimesmaterialwithstandthethermalshockWas26whenadditionofmuUitewhiskerswas30wt%.II硕+学位论文Thestudydemonstratedthatmullitewhiskersindeedhaveplayedimprovingthethermalshockresistanceofthematerial.aroleinstrengtheningandKeyWords:Andalusite;Mullite;Whisker;Aluminumfluoride;CompositeIII硕十学位论文第1章绪论1.1引言科学技术日新月异,对材料性能的要求日益提高,传统的单一相材料已很难满足实际需要,而复合材料由于具有许多更优异的性能,可以应用在更广阔的领域内,受到了众多国家的重视,促进了材料科学工作者对各种复合材料进行深入细致的研究。晶须作为复合材料中三大增强体之一已被人们所公认,其制备和应用研究成为复合材料领域研究的热点。晶须的定义是在人工控制的条件下以单晶形式生长成具有一定长径比的一种单晶纤维材料。晶须的直径非常小,原子排列高度有序,内部晶体结构比较完整,很难容纳大晶体中常出现的缺陷,因此无内部结构缺陷,或只有很少缺陷,因而晶须的强度接近于晶体的理论强度值【l】,使其显示出极佳的物理、化学性能和优异的机械性能,可以作为陶瓷、金属、塑料的增强材料。此外,许多晶须还具有功能方面的性能,被用来制备各种功能型复合材料,如各种含晶须的生物复合材料、有机聚合导体复合材料、半导体复合材料、超导体复合材料、光磁复合材料、形状记忆复合材料等先进复合材料【2】。莫来石(3A1203?2S102)是A1203.Si02系中唯一稳定的化合物,具有耐高温,耐磨损,抗氧化,热膨胀系数小,高温强度大,抗热震性能好及高温蠕变小,优良的介电性能和较好的透光性等优异性能【3】,广泛应用于耐火材料、高温和工程材料、电子封装材料、高温光学窗口材料等领域【4,5】。莫来石晶须不但具有莫来石自身的优异性能,而且作为长径比大的完整单晶体具有良好的力学性能。除此之外莫来石在氧化气氛,还原气氛和直到1800℃高温时均稳定,抗强酸强碱腐蚀,因此莫来石晶须是一种优异的复合材料增强体,可以大幅度提高金属基和陶瓷基复合材料的综合性能。莫来石晶须工业化制备技术的研制成功,必将推进新型陶瓷基和金属基复合材料的研制与开发,这对于先进陶瓷和高性能金属等材料的发展具有重要意义。1.2莫来石概述莫来石是一种链状铝硅酸盐矿物,属于斜方晶系,产生于高温变质岩、火成岩中。它的天然矿物在地壳中非常稀少,因1924年最早发现于苏格兰的马尔岛(Mull)而得名,现多见于陶瓷砖及各种高温砖中,是优质的耐火材料。A1203.Si02二元系相图‘61(图1.1)表gq,通常情况下,莫来石是A1203-Si02系




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