用硅酸铝质耐火材料废料制备氧化铝基陶瓷的技术及机理研究

论文摘要

生态环境材料是指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性或者能够改善环境的材料。耐火材料废料低的回收利用率给环境保护带来了极大的压力；我国对Al2O3瓷球的需求量巨大，但Al2O3原料涨价使高铝瓷球的生产利润很低，很多厂家被迫停产或倒闭，急需实现高铝瓷球低成本高档化，以满足市场需求。本论文主旨是探索研究用硅酸铝质耐火材料废料制备性能优良的工业陶瓷的可行性。以瓷球作为研究的切入点，以耐火材料废料为主要原料，天然矿物为助熔剂，通过合理设计晶界相的组成，成功地制备了一系列性能优异的、Al2O3含量从45％至85％的氧化铝基瓷球，并详细研究了各工序的物化过程及规律及其与制成产品的性能、结构及特征的关系。对制备工艺及助熔剂对陶瓷的烧成及性能影响的研究结果表明，在瓷球组分构成的CaO-MgO-Al2O3-SiO2、MgO-Al2O3-SiO2和CaO-Al2O3-SiO2三个体系中，CaO-MgO-Al2O3-SiO2系瓷球的烧成温度最低，烧成温度范围最宽；CaO-Al2O3-SiO2系瓷球的耐磨性最好，CaO-MgO-Al2O3-SiO2系陶瓷的耐磨性次之，而MgO-Al2O3-SiO2系瓷球的耐磨性最差；在CaO-MgO-Al2O3-SiO2和CaO-BaO-Al2O3-SiO2两个体系制备瓷球的主晶相均为莫来石，次为刚玉和钙长石，但CaO-BaO-Al2O3-SiO2系瓷球的烧成温度低、玻璃相的含量和密度高、结构较致密、耐磨性好；延长废料的球磨时间，废料的粒度减小，所制备瓷球的烧成温度降低、密度和耐磨性提高、晶粒尺寸和气孔率降低，瓷球在磨损过程中穿晶断裂的比例增加；延长干坯料的存放时间，坯料的性质趋于均匀化，所制备瓷球的耐磨性提高；增加坯体的成型压力可降低瓷球的烧成温度、拓宽烧成温度范围并提高耐磨性；研究了陶瓷的组成、结构与其性能的关系，首次发现Al2O3含量低于60％的陶瓷具有高的耐磨性且其耐磨性随着Al2O3含量的降低、堇青石含量的增加而增加的规律；陶瓷的主晶相与所用耐火材料废料的主晶相相同，且主晶相的含量随着Al2O3含量的增加而增加；获得用耐火材料废料制备陶瓷的烧结反应机理：大颗粒起到骨架作用，小颗粒在烧结过程中的熔解、结晶完成烧结；发现粗晶粒陶瓷可具有高的耐磨性；提出在瓷球磨损表面形成晶体破坏层，并从证实了瓷球的穿晶断裂磨损机理；当氧化铝含量大于60％时，陶瓷的密度和耐磨性均随着氧化铝含量的增加而提高；陶瓷的抗弯强度、断裂韧性和耐磨性随着晶粒粒径、气孔率和气孔直径的减小而增加；Fe2O3含量增加，陶瓷的烧成温度降低，密度和耐磨性提高，但陶瓷的颜色也随着Fe2O3含量的增加而加深；TiO2、CaO、K2O和Na2O的含量增加也使陶瓷的颜色加深。揭示了瓷球的磨损率既正比于瓷球的作用压力又正比于瓷球间的接触点数的规律；通过理论推导和试验验证，建立了瓷球磨损率与其大小之间的关系模型：w=ar-1／3／t+b，该模型较现有模型简明、合理，而且瓷球的性能越高，模型的预测结果越准确，证实了陶瓷的性能越高，其优异性能的重现性越好、可靠性越高。利用创新的自分散技术，探索了用半湿化学法制备陶瓷的可行性，并获得若干有价值的结果。采用半湿化学法制备，可降低瓷球的烧成温度，提高其耐磨性；随着纳米AlOOH粉加入量的增加（当加入量低于3.5％时），瓷球的烧成温度降低，密度和耐磨性提高；次晶相在晶界的均匀分布使晶界结合牢固，有利瓷球实现穿晶断裂。在相同条件下测试时，制备的含75％Al2O3瓷球的磨损率为0.0188％，含85％Al2O3瓷球的磨损率为0.0124％，而建材行业用国际最高水平95瓷球的磨损率为0.0523％／h。不仅如此，本研究获得的瓷球还有极优的性价比和原料的优势和广泛性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 生态环境材料及生态材料概述
• 1.1.1 生态环境材料及其现状
• 1.1.2 无机非金属固体废弃物的再循环与再利用
• 1.2 耐火材料废料的国内外研究现状
• 1.2.1 耐火材料的定义及应用
• 1.2.2 耐火材料的分类
• 1.2.3 耐火材料废料的国内外回收利用现状
• 1.2.3.1 概述
• 1.2.3.2 影响耐火材料废料循环利用的因素
• 1.2.3.3 国外耐火材料废料回收利用概况
• 1.2.3.4 我国耐火材料废料回收利用概况
• 1.3 氧化铝陶瓷概述
• 1.3.1 氧化铝陶瓷的定义、分类、性能及应用
• 1.3.2 我国氧化铝陶瓷研磨介质的研究现状
• 1.3.2.1 研磨介质的定义、选择和应用
• 1.3.2.2 我国氧化铝陶瓷研磨介质的生产和研究现状
• 1.4 本论文的研究目的和意义
• 1.5 本论文的研究内容
• 第2章 废弃耐火材料原料及助熔剂体系的选择
• 2.1 废弃原料的来源、组成及特征
• 2.1.1 废弃原料的来源及组成
• 2.1.2 用后耐火材料的特征
• 2.2 助熔剂体系的选择
• 2.3 耐火材料废料的研磨
• 2.3.1 废料的研磨
• 2.3.2 球磨时间对废料粒度的影响
• 2.4 助熔剂的制备
• 第3章 助熔剂和制备工艺对陶瓷球性能的影响
• 3.1 配料体系对瓷球的烧成及性能的影响
• 2O₃瓷球的制备'>3.1.1 含75%Al₂O₃瓷球的制备
• 3.1.2 瓷球的性能测试
• 3.1.3 助熔剂对陶瓷的烧成及性能的影响
• 2O₃-SiO₂和CaO-BaO-Al₂O₃-SiO₂系助熔剂对陶瓷的烧成及性能的影响'>3.2 CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂和CaO-BaO-Al₂O₃-SiO₂系助熔剂对陶瓷的烧成及性能的影响
• 3.2.1 瓷球的制备及性能测试
• 3.2.2 BaO对陶瓷性能的影响及其烧结反应机理
• 3.3 制备工艺条件对陶瓷球性能的影响
• 3.3.1 烧成温度对瓷球性能的影响
• 3.3.1.1 瓷球的制备及性能测试
• 3.3.1.2 烧成温度对瓷球性能的影响
• 3.3.3 坯料的存放时间对陶瓷性能的影响
• 3.3.3.1 瓷球的制备及性能测试
• 3.3.3.2 坯料的存放时间对瓷球耐磨性的影响
• 3.3.3.3 存放时间对坯料活性的影响
• 3.3.4 坯体的成型压力对陶瓷的烧成及性能的影响
• 3.3.4.1 陶瓷球的制备及性能测试
• 3.3.4.2 成型压力对陶瓷的烧成、显微结构及性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 陶瓷球的尺寸、组成及结构与性能的关系
• 4.1 陶瓷球的烧成温度和耐磨性
• 4.1.1 氧化铝含量对陶瓷烧成温度的影响
• 2O₃含量对陶瓷烧成温度的影响'>4.1.1.1 助熔剂配比不同时Al₂O₃含量对陶瓷烧成温度的影响
• 2O₃含量对陶瓷的烧成温度的影响'>4.1.1.2 助熔剂配比相同时Al₂O₃含量对陶瓷的烧成温度的影响
• 2O₃含量对陶瓷的相组成及耐磨性的影响'>4.1.2 Al₂O₃含量对陶瓷的相组成及耐磨性的影响
• 2O₃含量对陶瓷的耐磨性的影响'>4.1.2.1 Al₂O₃含量对陶瓷的耐磨性的影响
• 4.1.2.2 低铝陶瓷的耐磨性
• 4.1.3 堇青石对陶瓷球耐磨性的影响及陶瓷的高温反应及耐磨机理
• 4.1.4 瓷球的显微结构与性能的关系
• 4.1.4.1 晶粒大小对陶瓷性能的影响
• 4.1.4.2 气孔率对瓷球性能的影响
• 4.1.5 瓷球的尺寸对耐磨性的影响
• 4.1.5.1 引言
• 4.1.5.2 瓷球的制备及磨损率的测试
• 4.1.5.3 瓷球的直径与磨损率的关系模型的理论推导
• 4.1.5.4 瓷球磨损率模型的实验验证
• 4.2 陶瓷球的色差性与影响因素
• 4.2.1 瓷球的制备及性能测试
• 2O₃对陶瓷的烧成温度及性能的影响'>4.2.2 Fe₂O₃对陶瓷的烧成温度及性能的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 "半湿化学法"制备75瓷的若干问题
• 5.1 陶瓷粉体的湿化学制备方法
• 5.2 陶瓷的半湿化学法制备及性能测试
• 5.3 BaO的加入方式对陶瓷的烧成及性能的影响
• 5.4 半湿化学法制备陶瓷的性能
• 5.5 纳米粉体对陶瓷的烧成、性能及显微结构的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 瓷球达到的性能水平
• 6.1 瓷球的耐磨性及力学性能与国内外先进水平产品的比较
• 6.2 瓷球的显微结构与国内外先进水平产品的比较
• 6.3 小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 附录1:磨损率测试结果
• 附录2:攻读博士学位期间撰写的学术论文和研究工作
• 致谢