氧化鋁耐火材料中性能良好的氧化鋁和莫來石微粒在熱機(jī)械性方面的表現(xiàn)

氧化鋁耐火材料中性能良好的氧化鋁和莫來石微粒在熱機(jī)械性方面的表現(xiàn)摘要：氧化鋁和莫來石細(xì)微粒（?5微米）與粉漿澆注氧化鋁莫來石耐火材料相結(jié)合，以此來研究它們的顯微結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和熱震性的影響。氧化鋁微粒的加入能顯著地提高耐火材料的致密性和機(jī)械性能，與之相比，莫來石微粒的加入，則使耐火材料具有多孔性和低的機(jī)械性能。伴隨氧化鋁的加入，材料抵抗裂紋發(fā)生的性能也在增加，這是被R參數(shù)所證實(shí)。因此，需要更大的斷裂表面能來連接裂紋的增殖，與斷裂韌度的重要性相聯(lián)系。提高冷卻溫度（maybe淬火溫度）也可以提高強(qiáng)度和楊氏模量，導(dǎo)致高抗熱震性。作者關(guān)鍵字：氧化鋁，莫來石，粉漿澆注，耐火材料，機(jī)械性能，熱震性。1.介紹莫來石已被用于研究結(jié)構(gòu)陶瓷的應(yīng)用，因?yàn)樗哂懈呖篃嵴鹦?，，高抗蠕變性和化學(xué)耐侵蝕性。但是，莫來石陶瓷潛在的性能卻不能很容易的被開發(fā)成為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，因?yàn)楹茈y得到完整的沒有附加產(chǎn)物的密實(shí)物和形成玻璃相的微粒邊界。氧化鋁是很好的候選者，以提高莫來石基材料的機(jī)械性能，因?yàn)椴Ａ嗟男纬煽梢员患尤胙趸X合金的莫來石陶瓷所控制。莫來石固溶燒結(jié)體的相對密度，硬度和斷裂韌性相當(dāng)?shù)?，但隨著鋁濃度的增加卻相反。據(jù)報道，加入高性能的氧化鋁微粒（＞10vol.%）導(dǎo)致緊實(shí)收縮大量減少，導(dǎo)致實(shí)密度伴隨顆粒體積分?jǐn)?shù)增加。此外，中等數(shù)量的莫來石和氧化鋁在耐火材料中的出現(xiàn)，提供了高的抗熱震性。本文介紹了粉漿澆注耐火材料的機(jī)械性能和熱震性如何被添加高性能氧化鋁和莫來石微粒所影響。2.實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皩?shí)驗(yàn)，準(zhǔn)備了兩個不同組的粉漿澆注料。第一組由粗的（-2+1mm）和中等的（+1000+20um）氧化鋁莫來石微粒組成，其中包含5um性能良好的氧化鋁微粒。命名為樣品A。第二組同第一組，命名為B。耐火材料相組成如下（體積百分?jǐn)?shù)）：樣品A：75%氧化鋁，20%莫來石，5%粘土。樣品B：55%氧化鋁，40%莫來石，5%粘土。粘土的化學(xué)組成：48.3%SiO,37.6%AlO,1.1%KO,2 23 20.5%Feq,0.4%Na2O,0.1%CaOand12%結(jié)合水。粉漿澆注到尺寸為100X10X15mm3的容器中，在110°C中干燥一天，然后在1600C條件下燒制2小時。加熱和冷卻速率在分別在300和200°C/h。容重和顯氣孔率乃采用標(biāo)準(zhǔn)水浸泡法。機(jī)械和熱震性的測量是通過把具有代表性的容器放置水中測量從1200C冷卻到300C的時間。那些長條試樣利用美思-SMT50拉伸測試器的跨徑為90mm的滾軸測試三點(diǎn)彎曲形狀，實(shí)驗(yàn)速度為1mm每分鐘。測試五個樣本來得到每一個的冷卻溫度(淬火溫強(qiáng)度(。)和楊氏模量(E)被用于標(biāo)準(zhǔn)等式：E=L3m/(4WD3)L為支撐跨徑的長度，W是樣本寬度，D是樣本厚度，m是在初始直線的負(fù)載部分撓度曲線切線斜率。斷裂韌性測定采用單邊緣缺口梁(SENB)技術(shù)和1毫米厚的金剛石刀片產(chǎn)生深入的比例為0.25缺口。斷裂韌性(％。)以最大荷載公式計算：-ipiP為斷裂荷載，c為切口深度，Y|為抗裂紋初始擴(kuò)展測量量，C為臨界裂紋長度，Y=[A+A(c/D)+A(c/D)2+A(c/D)3+A(c/D)4].Y為0 1 2 3 4無量綱，依賴于加載幾何和裂紋配置L/D^8,%=+1.96,Aj-2.75,A「+13.66,%=-23.98,%=+25.22。R參數(shù)可以表示為裂紋萌生的難度，并預(yù)測了材料的抗斷裂的熱應(yīng)變。R可由公式計算(R=[a(1-，)]/(Ea)｝，v是泊松比，a是耐火材料的平均熱膨脹系數(shù)。A的值與楊氏模量有關(guān)，體積分?jǐn)?shù)和各部件的熱膨脹系數(shù)由特納得出的方程計算出。用CamScan4掃描電子顯微鏡得到中級的和背散射電子像用來檢驗(yàn)顯微結(jié)構(gòu)和斷裂表面。3.結(jié)果和討論代表樣品A和B的容重值分別為2.9和2.6gcnn。這些樣品的化學(xué)組成如下：93.4%A12O3,6.6%SiO2(A);and87.5%A12O3,12.5%SiO2(B).Fig.1a以每個元素的分布圖顯示了莫來石耐火材料微觀結(jié)構(gòu)。耐火材料中的孔隙主要集中在莫來石品粒粗，但是一些是集中在氧化鋁微粒處。一個這樣大的孔洞形成的可能原因是莫來石微粒的不同燒結(jié)與氧化鋁顆粒由于密度差異。研細(xì)的氧化鋁粉末結(jié)合在燒結(jié)的樣品A中，提高了體積密度和強(qiáng)度值，比樣品B對顆粒間的孔隙度減少空隙填充和快速燒結(jié)。Fig.1b說明了一個樣本之間的粗品粒細(xì)顆粒高氧化鋁填料。相反，樣品B的孔隙主要集中在氧化鋁和莫來石晶粒界面，因此觀察到相對薄弱界面在針狀莫來石品須的長度較短處。(Fig.1c).Full-sizeimage(84K)氧化鋁莫來石耐火材料分布(A:氧化鋁，M:莫來石，P:多孔性):(a)樣品A,(b)樣品A,(c)樣品B.總所周知，熱膨脹系數(shù)的顯著差異，莫來石為..5.3X10-6K-1氧化鋁為.7.8X10-6K-1導(dǎo)致氧化鋁和莫來石晶粒之間明顯裂縫發(fā)展，由于在制造過程中1600°C冷卻的大拉環(huán)向應(yīng)力。可以從Fig.1a中看出，氧化鋁和莫來石微粒周圍觀察到裂縫的形成，當(dāng)裂縫到達(dá)莫來石品粒組，裂紋擴(kuò)展穩(wěn)步下降。經(jīng)過粗品粒之間的相互聯(lián)系的裂紋碰到孔隙，發(fā)生裂紋鈍化，因此進(jìn)一步阻止裂紋擴(kuò)展增加，如Fig.1a所見。這些明顯的孔隙度值和樣品A和B的機(jī)械性能在表1中呈現(xiàn)。良好性能的莫來石微粒的加入導(dǎo)致粗品粒之間低的堆積密度和相對低的機(jī)械性能。但是，加入良好性能的氧化鋁微粒顯著的增加了強(qiáng)度（，70%）和楊氏模量（..50%）。這種改善表明樣品的臨界裂紋長度是有限的，裂紋擴(kuò)展緩慢發(fā)生，雖然這些樣本計算臨界裂紋長度有相同的值。這是因?yàn)樵陲@微結(jié)構(gòu)中無論是燒結(jié)形態(tài)及氣孔分布，觀察到發(fā)育良好的界面，裂縫被阻止在孔隙周圍蔓延。樣品A的Kic值也有顯著的提高，上升了1.6倍。Y|值被認(rèn)為初始裂紋擴(kuò)展需要大量能量，而樣品A比樣品B高很多，因此更多能量需要連接裂紋擴(kuò)展。正如抵抗熱應(yīng)變參數(shù)R預(yù)測和支持，材料包含良好的氧化鋁微粒展現(xiàn)出更高的抵抗由熱應(yīng)變產(chǎn)生的裂紋萌生，有關(guān)B試樣（Table1）。表1樣品A和B的表觀孔隙度值和機(jī)械性能SamplesApparcritfM'ixisily(%)E〔GPh)K[v(MPhthC(T1LIII)A19±0.217二二0,9l,l+0r01.2±o.l41.3±0.1B26=0.310.0=0.70.7-0.11.2±0.225.3±0.1Fig.2aandb表明，大多數(shù)品間，與一些穿品斷裂在樣品B中，觀察到莫來石品須的針狀短長度。但是Fig.3aandb表明，品間和較大的穿品斷裂通過氧化鋁微粒強(qiáng)鍵處細(xì)顆粒和粗顆粒界面間發(fā)生。斷裂路徑主要變化從品間到明顯的穿品斷裂通過加入磨細(xì)的氧化鋁微粒，與提高斷裂表面能和樣品A的斷裂韌性相聯(lián)系。Full-sizeimage(67K)Fig.2.B樣品的斷裂表面，1200°C（t:穿品，i:品間）：（a）刻度：20口m（放大倍數(shù)：X1250）,（b）刻度：20口m（放大倍數(shù)：X1750）Full-sizeimage（78K）Fig.3.樣品A的斷裂表面，1200°C（A:氧化鋁，t:穿品，i:品間）：（a）刻度：50口m（放大倍數(shù)：X770）,（b）刻度：20口m（放大倍數(shù)：X1370）.Fig.4aandb顯示強(qiáng)度和楊氏模量值隨著淬火溫度升高而減小趨勢，樣品A的強(qiáng)度和楊氏模量值在1200°C更高?？梢钥闯鰪?qiáng)度（＞40%）和楊氏模量（＞30%）值顯著的增加在加入磨細(xì)的氧化鋁微粒后。這種提高表明樣品A的殘留強(qiáng)度比樣品B更高，在有限的斷裂尺寸和緩慢的裂紋擴(kuò)展，這與更高的機(jī)械性能相關(guān)。Full-sizeimage(8K)Fig.4.氧化鋁莫來石耐火材料的機(jī)械性能作為淬火溫度特點(diǎn)(a)抗彎強(qiáng)度(b)楊氏模量4.結(jié)論雖然添加研細(xì)的莫來石致使高孔隙率和低機(jī)械性能，密實(shí)性和機(jī)械性能的顯著增加伴隨著細(xì)的氧化鋁微粒的加入，通過提高粗顆粒品間鍵強(qiáng)。此外