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【硅灰石粉|CaO/Si02】比对伟晶岩多孔微晶玻璃性能的影响

CaO/Si02比对伟晶岩多孔微晶玻璃性能的影响


摘要:为了研究Ca0与Si02质量比对伟晶岩多孔微晶玻璃性能的影响,以CAS多孔微晶玻璃为研究对象,通过DTA、XRD、SEM和三点弯曲法等分析手段进行研究,实验结果表明:随着Ca0与Sio2质量比例的增加,副硅灰石晶体的长径比逐渐减小,当Ca0与Si02质量比为18:60时,副硅灰石晶体体积分数为最大:随着CaO/Sio2质量比的增加,主晶相没有发生改变,均为副硅灰石晶体:样品的抗压强度、抗折强度均随Ca0与S102质量比的增加而增加,当增加到一定值后又星下降趋势:样品耐酸性的最大抗折损失率达到了0. 304 5,耐碱性能的最大抗折损失率为0.31654。


多孔微晶玻璃的研究与发展已经受到人们的重视,特别是多孔微晶玻璃在能源、环保、化学工业和建筑等方面的应用、开发及推广将带来无穷的经济效益和社会效益,多孔微晶玻璃具有耐热、不污染、机械性能高、硬度高和可以加工成形等优点,多孔微晶玻璃是由非晶态无机材料经过控制热处理工艺而得到的含有封闭孔或连通孔的微晶结构的新型材料,其性能是由微孔、晶相和玻璃相的化学组成以及它们的结构、分布和所占比例多少决定的。多孔微晶玻璃因其特殊的制备工艺和优良的性能受到人们的关注。

影响多孔微晶玻璃性能的因素很多,主要有主晶相的种类和内部的组织结构等,这些因素受基础玻璃中各种氧化物质量分数的影响,本文以Si02 -Al203 -Ca0系统多孔微晶玻璃为基础,研究CaO/Si02对伟晶岩多孔微晶玻璃性能的影响。

1  实验

实验的主要原料有:伟晶石、二氧化硅、无水碳酸钠、硼酸、碳酸钙、硝酸钠、氧化锌、硬脂酸和聚乙烯醇,除伟晶石之外的原料均为分析纯试剂,伟晶石的化学成分是通过德国布鲁克公司生产的X光射线荧光光谱仪(SRS-3400型)定量分析而得到的结果,可见,伟晶石的主要成分为二氧化磋和氧化铝,是制备Si02 -Al2 03 -Ca0玻璃良好的材料.将实验原料按照表1的氧化物配比准确称量混合。

将混匀的料放入坩埚内熔制,1450℃下澄清均化3h后水淬,再烘干、粉碎,将粉碎后的玻璃颗粒过150μm的筛子,得到5组配比不同的基础玻璃粉末,再分别称取70%玻璃粉末加入20%硬脂酸(150μm)、10%聚乙烯醇(150 μm)和一定量的水搅拌均匀,放入模具中,在20 MPa压力下压制成型,放入自制的耐火磨具中加热,进行核化和晶化,为了防止硬脂酸在坯体烧结的过程中膨胀速度过快而造成坯体开裂,应在530℃之前采用2℃/min的低升温速率烧结,530℃以后采用7℃/min的升温速率烧结,热处理工艺结束后随炉冷却便制得多孔微晶玻璃.

2  结果及讨论

2.1微观性能分析

2.1.1    CaO/S102比对多孔微晶玻璃显微结构的

多孔微晶玻璃的晶体形貌发生了变化:1#和2#样品中的副硅灰石晶体规则排列,而且晶体呈长柱形状:3#样品中的晶体比较密集,而且晶体呈长针状:4#和5#样品中副硅灰石晶体体积分数较少,而且排列的不规则,晶体呈短柱状,即随着Ca0与Sio2质量比例增加副硅灰石的长径比逐渐减小了,而且从1#一5#样品中,当Ca0与Si02质量比例超过一定限度时,即3#样品中,副硅灰石晶体的体积分数是最大的,从4#样品开始晶体的体积分数开始减少,这是因为随着Ca0与Si02质量比例的提高,样品玻璃的析晶、烧结活化能降低的原因.Ca0取代Si02后,增加了网络外体量,使得玻璃网络连接强度下降,有利于质点的移动,从而导致玻璃的活化能下降.活化能下降促使微晶玻璃在一定的温度下析出更多的晶核,这些晶核在更高的温度下慢慢地长大,最终成为晶体:随着Ca0与Si02质量比例的继续升高,超过一定值时,玻璃试样烧结范围降低,起始析晶温度降低,晶体在较低温度析出,导致试样玻璃中粘度增加很快,阻碍了晶体在有限的空间里生长:同时晶体数量增加,使它们生长时受到周围其他晶体阻挡的几率也相应增大,这些晶体间的相互阻挡阻碍了晶体的生长,使得晶体不能正常地发育成针状,而且,从SEM图片上可以明显地看出,副硅灰石晶体的尺寸逐渐减小了。2.1.2   CaO/Si0,比对多孔微晶玻璃晶相的影响 对1#一5#多孔微晶玻璃试样进行XRD晶相鉴定从图2中可见,l#一5#样品在20= 300左右都出现了较强的衍射峰,通过查阅JCPDS卡片76-0925#确定主晶相为副硅灰石(单斜晶系),随着Ca0与Si02质量比例的增加,主晶相没有发生改变:试样的晶体特征衍射主要表现为副硅灰石晶体的衍射特征,且峰值清晰、尖锐,这说明试样玻璃的结晶度很高。

2.2理化性能分析

多孔微晶玻璃的显著特性就是孔隙、晶相与残余玻璃相之间的交错,这一特征决定了多孔微晶玻璃的性能,在多孔微晶玻璃结构中,孔隙、晶相与残余玻璃相比例有很大的不同,当孔隙体积比例小的时候,多孔微晶玻璃内晶相和玻璃相交错分布,由此可见,多孔微晶玻璃的性能主要取决于微晶玻璃的性能:当晶相的体积分数大时,玻璃相和孔隙在相邻的晶体间就会形成薄层,或是在晶界处形成孤立的小块:当玻璃相比例大,孔隙和晶相所占比例特别小时,几乎形成连续的基体,在这种情况下,玻璃相性质将强烈影响微晶玻璃的性质.由于多孔微晶玻璃晶体通常是在没有应力足以导致晶体定向排列的情况下,从一个均质液相中析出的,因此,它们是杂乱取向的:孔隙同样也不是有规律的排列,只是大范围内宏观地呈均匀性,因此,控制好多孔微晶玻璃的各成分比例,

可以得到物理化学性能良好的多孔微晶玻璃。

2.2.1抗压强度测定

对多孔微晶玻璃试样的抗压强度进行测试,采用WD4050电子万能试验机测试抗压强度,将

试件切割成直径为(20±1)mm.高(20±1)mm的圆柱体,然后放在试验机下压板中心位置,以每秒(20±5)kg/cm2的速度均匀地施加压力,直到压力计指针倒转时立即停止试验.每个组成的多孔微晶玻璃选5个试样进行试验。

多孔微晶玻璃的抗压强度是指在受到外来机械压力作用下,整体结构被破坏时的强度,多孔微晶玻璃和普通的陶瓷、玻璃是一样的,均属于脆性材料。CAS多孔微晶玻璃试样的受压支撑体主要是靠副硅灰石晶相与玻璃相相互结合的网状结构,由于副硅灰石晶相数量多、个体微小、玻璃相起到类似“胶水”的粘合作用,因此,两者之间应有一个最佳比例,使试样的抗压强度达到理想状态,若副硅灰石晶相比例增多,整体结构中玻璃相相应减少,对结构的粘合作用不够,那么也会导致强度变弱:反之副硅灰石晶相比例减少,整体结构中的“框架”减少,同样会导致试样的强度减弱,由图4数据可见,在孔隙率一定的情况下,多孔微晶玻璃的抗压强度随着CaO/Si02比例的增加,先是增加到一定值后又呈下降趋势.CaO/Si02比值从0. 22一0.30左右,试样的整体结构强度逐渐增强,说明副硅灰石晶相的体积分数是增加的过程,同时氧化钙的体积分数增多,积聚作用使残余玻璃相网络结构紧密,说明玻璃相强度和整体强度都得到了提高嘲,当Ca0与Si02质量比为18:60时,抗压强度为115.34 MPa,表现为几种不同配比中的最大值:随着Ca0与Si02质量比例继续增加,抗压强度呈下降趋势,说明Ca0与Sio2的质量比例生成的副硅灰石体积分数有所减少,整体结构强度变弱,因此,试样的抗压强度也出现减弱的趋势。

2.2.2抗折强度

对多孔微晶玻璃试样的弯曲强度进行测试,采用WD4050电子万能试验机测试抗弯强度,试样规格为厚(10±1) mm,宽(20±1) mm,长(120±2) mm.试验时铅弹流速为(100±20)g/s,均匀地施加压力,直到压力计指针倒转时立即停止试验,每个组成的多孔微晶玻璃选5个试样进行试验,多孔微晶玻璃的抗折强度与抗压强度基本类似,是整体结构在外来机械力作用下遭到破坏时的强度    可见,在孔隙率一定的情况下,多孔微晶玻璃的抗折强度与抗压强度相似,也是随着CaO/Si02比例的增加,先是增加到一定值后又呈下降趋势.在试样整体结构强度逐渐增强的过程中,副硅灰石晶相体积分数是增加的:当Ca0/Si02比为18 /60时,抗折强度为37. 097 MPa,表现为几种不同配比中的最大值:随着CaO/Si02比例继续增加,抗折强度呈下降趋势,说明试样中副硅灰石体积分数有所减少,试样的抗折强度出现减弱的趋势。

2.2.3耐酸性和耐碱性

材料对水或其他化学试剂的抗侵蚀性,对于材料的使用具有重大意义.由于涉及的过程很复

杂,因此,很多情况下,都有可能发生微晶玻璃的化学侵蚀现象,一般最初的化学侵蚀发生在玻璃相上,这时侵蚀涉及到氢离子(或水和氢离子)和玻璃相中可动的阳离子(通常是碱金属离子)之间的离子交换,接着硅氧结构可能被一个水合过程所侵蚀.玻璃相中碱金属离子大的可动性和结合性与晶相中类似的离子相比,将使玻璃相具有较大的反应能力,从而消弱它的耐化学侵蚀能力。

本测试样品各选10块,配置20%硫酸溶液和1. 0%氢氧化钠溶液备用.取试样平行置于500 mL锥形瓶中,以试样10 mm×55 mm表面接触瓶底,试样间距保持在1mm左右,加入酸(碱)溶液(200±5)mL,装上回流冷凝器,用带有调压器的电炉加热溶液和试样,控制在0.5 h内煮沸,调整电压保持微沸状态,1h后关闭电炉.冷却30 nun后,从冷凝器上端加入蒸馏水100 mL。取下锥形瓶,倾出液体后,将试样取出,置于搪瓷盘中用大量自来水冲洗l h.将试样多余水分擦去,进行抗弯强度检验,以10块试样的算术平均值数据作为试验中可见,多孔微晶玻璃的耐酸性能和耐碱性能均不是很理想的结果,耐酸性的最大抗折损失率达到了0. 304 5,耐碱性能的最大抗折损失率为0. 316 54.多孔微晶玻璃的耐酸性能随着CaO/Si02比例的增大而变差,原因有两点:一是因为副硅灰石具有抗弱酸性,但溶于浓盐酸,因此,副硅灰石体积分数越高的试样经硫酸热溶后,晶体损失量就越多,抗酸腐蚀能力就越差:二  是因为试样内部含有大量的孔隙,使硫酸与试样接  触面积更大,因此,损失的副硅灰石晶体就越多,导致试样的抗酸腐蚀能力就越差,多孔微晶玻璃的耐  碱性能随着CaO/Si02比例的增大而变强,因为氢氧  化钠可溶解玻璃相.所以导致了耐碱性与耐酸性相  反的结果.随着CaO/S102比例的增大,多孔微晶玻璃试样中的残余玻璃相越来越少,试样被氢氧化钠腐蚀的量也相应减少,试样的耐碱腐蚀能力却越强。

3  结  论

1)随着CaO/Si02比例的增加,副硅灰石的长径比逐渐减小了,对于副硅灰石晶体体积分数而言,当CaO/Si02比例超过一定限度时,即3#样品中,副硅灰石晶体体积分数是最大的,从4#样品开始晶体体积分数开始减少,这是因为随着CaO/Si02比例的提高,样品玻璃的析晶、烧结活化能降低的原因:

1)随着CaO/Si02比例的增加,副硅灰石的长径比逐渐减小了,对于副硅灰石晶体体积分数而言,当CaO/Si02比例超过一定限度时,即3样品中,副硅灰石晶体体积分数是最大的,从4#样品开始晶体体积分数开始减少,这是因为随着CaO/Si02比例的提高,样品玻璃的析晶、烧结活化能降低的原因:

2)随着CaO/Si02比例的增加,主晶相没有发生改变:多孔微晶玻璃的抗压强度随着Ca0/Si02比例的增加,先是增加到一定值后又呈下降趋势;在孔隙率一定的情况下,多孔微晶玻璃的抗折强度与抗压强度相似,也是随着CaO/Si02比例的增加,先是增加到一定值后又呈下降趋势。

3)多孔微晶玻璃的耐酸性能和耐碱性能均不是很理想的结果,耐酸性的最大抗折损失率达到了o.3045,耐碱性能的最大抗折损失率为0.316 54.


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