堇青蜂窝陶瓷微观结构及热膨胀系数的研究

堇青蜂窝陶瓷微观结构及热膨胀系数的研究

0超导体器材料的制备蓝蓝色、青石、蜂窝陶瓷是陶瓷材料的迅速发展和应用。由于其巨大的比面、低膨胀系数、耐候性和耐腐蚀性，它被用来制作汽车尾气处理、红外波束材料、发电厂的蓄热以及工业上使用的大型除湿装置。此外，它还被称为环保陶瓷。日本NGK公司和美国的康宁公司在堇青石蜂窝陶瓷的制备上处于国际领先水平,他们制造的堇青石蜂窝陶瓷的膨胀系数仅为0.2×10-6/℃左右。我国在该领域的制备技术和研发技术离国际先进水平具有一定的差距,超低膨胀系数堇青石蜂窝陶瓷材料的制备也一直是困扰我国蜂窝陶瓷发展的关键技术,代表我国该领域最高水平的宜兴某厂所制备的堇青石蜂窝陶瓷,其膨胀系大约为1.2×10-6/℃。杜永娟等制备了热膨胀系数约在1.2×10-6/℃的堇青石陶瓷。张华等研制的堇青石蜂窝陶瓷的热膨胀系数在1.48×10-6/℃左右。张振禹等也对堇青石的低热膨胀机理进行了研究,用半定量法计算了α-堇青石的理论热膨胀系数大概是0.85×10-6/℃。因此,日本NGK公司的堇青石蜂窝陶瓷膨胀系数如此之低,一定在结构上有所创新和不同,为此我们将NGK和宜兴蜂窝陶瓷进行了微结构分析和对比并制定出了相应的实验方案。1实验过程1.1gk植物效能模型从图1可知,宜兴蜂窝陶瓷与NGK的XRD图谱基本吻合,各衍射峰的位置基本对应,个别峰的衍射强度稍有不同,图中每个峰完全符合PDF卡片(13-0294号),为单一的α-堇青石相。从图2可知,NGK蜂窝陶瓷的断面及表面SEM图均出现微裂纹,而宜兴的没有发现微裂纹;且NGK晶粒成圆弧状,而宜兴的颗粒以长方形状居多,但两者晶粒排列均有一定的取向。从以上结果得出:NGK堇青石陶瓷的膨胀系数比堇青石材料理论膨胀系数还要低,主要是因为其蜂窝陶瓷中含有一定量的微裂纹,该微裂纹可以有效抵消堇青石受热膨胀。一般认为堇青石质陶瓷的化学组成越靠近堇青石的理论组成,其热膨胀系数越低。同时,烧成制度也是决定堇青石晶粒是否取向排列以及热膨胀系数高低的主要因素之一。在一定条件和温度范围内,升温速率和热膨胀系数成反比关系。为此,本实验设计从浆料分散及烧成制度两个方面对宜兴蜂窝陶瓷微观结构进行优化从而有效降低其膨胀系数。1.2材料的球磨混合均衡本实验采用工业上成熟的堇青石蜂窝陶瓷配方进行实验,其配方组成见表1。由于堇青石蜂窝陶瓷是原位生成堇青石,所以其堇青石成本低且具有巨大的比表面积,满足工业生产要求。为了能够原位生成堇青石晶粒,多种原料的混合均匀是至关重要的技术,本实验采用湿法混合六种原材料(滑石、Al2O3、高岭土、煅烧高岭土、石英)。为了获得结构均匀,堇青石发育完好的蜂窝陶瓷,我们需要将六种原材料分散均匀,采用了加入分散剂和调节浆料pH值的方法进行球磨混合均匀研究。按照表1的配方称量各组分,通过不同方法(见表2)配制浆料,并作粘度分析。将各浆料烘干,压片,再按表3中的烧成制度,并通过随炉降温及急冷降温(945℃、1017℃、1188℃)得到不同样品,作XRD、SEM对比分析。1.3沉降、均匀由表2及表4分析可知,2#比1#浆料多加了氨水及分散剂PAA,粘度有所降低,且流速较快,但由于1#、2#加水较多,使得浆料极易沉降,不利于浆料后期的烘干,会使得粉体中组分不均匀。而3#、4#相对于1#、2#而言降低了水的含量,虽粘度增大、流速减慢,但沉降一天后粘度变化程度明显降低,适于浆料的后期烘干。1.4急冷温度对微裂纹的影响从图3可知,2#、4#样品与宜兴、NGK蜂窝陶瓷的XRD图谱中各衍射峰的位置基本对应,个别峰的衍射强度稍有不同。从图4分析可知,2#、4#样品表面形貌中并未出现微裂纹,微观结构与宜兴的类似,晶粒形貌以呈长方形状为主,晶粒排列均有一定的取向。以4#样品为例,通过不同的急冷温度(945℃、1017℃、1188℃)得到不同的样品,并测试其表面形貌进行分析。从图5分析可知,经过不同的急冷降温,4#样品的微观形貌均发生了变化,不同程度地产生了微裂纹。其中,945℃、1017℃相比于1188℃的而言,微裂纹更明显。说明合适的急冷温度有利于堇青石在急冷条件下发生不同取向的收缩,从而产生有利于降低蜂窝陶瓷热膨胀系数的微裂纹。2热膨胀系数的变化对NGK和宜兴的堇青石陶瓷的XRD和SEM分析得出,微观结构上的有无裂纹是两者最大的区别,N