Al-Si系无机高温粘结剂的制备与性能研究

陈 洋 ，邓承继 ，丁 军 ，余 超 ，祝洪喜 ，樊国栋 ，冷光辉

(1． 武汉科技大学，省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉 430081；2．河南东大高温节能材料有限公司，河南 鹤壁 458030)

0 引 言

近年来，随着航空航天、电子和机械制造工业等领域的迅猛发展，人们对耐高温材料的需求越来越大、性能要求越来越高，而耐高温材料部件的连接是材料使用要解决的一个重要问题。现今，采用粘结剂是连接高温材料部件的重要手段之一[1,2]。有机高温粘结剂由于存在高温易热解、成本高和毒性大等问题，其使用范围受到很大限制[3,4]。无机高温粘结剂具有高温稳定性好、原料丰富和成本低等优点[5-7]。本文以氧化铝、硅微粉为主要原料，外加铝酸钙水泥制备了一种新型无机高温粘结剂，并研究了不同烧成温度、原料配比对高温粘结剂的力学性能、物相分析和显微结构的影响。

1 实验部分

1.1 原 料

本实验所用原料规格如表1所示。

1.2 测试仪器

本实验所使用的主要实验仪器如表2所示。

1.3 配方设计原理

莫来石(3Al2O3·2SiO2)具有较低的热膨胀性、机械强度高、高熔点和化学性质稳定等性能。莫来石中Al2O3、SiO2理论质量之比是5 : 2，按照这一思路进行各物质的添加，可控制烧成中形成莫来石相。本实验通过改变配方中Al2O3和SiO2的质量比，分别按质量比z(Al2O3/SiO2)=5 : 1、5 : 2、5 : 3的比例配料制样，然后分别在1300 ℃、1400 ℃、1500 ℃、1600 ℃下烧成，对其进行性能测试分析。实验配方如表3所示。

表1 实验所用原料规格Tab.1 Specifications of experimental materials

表2 实验仪器Tab.2 Experiment apparatus

2 结果与讨论

2.1 杨氏模量

图1为不同配方的试样分别在1300 ℃、1400 ℃、1500 ℃和1600 ℃下烧成时弹性模量的变化趋势。从图1中可以看出，在1300-1600 ℃温度范围内，试样弹性模量随着温度升高而增大。三种不同配方的试样在1300-1500 ℃温度范围内变化不大，数值很小且接近；1500-1600 ℃时，试样的弹性模量开始快速变大。其中S1的试样弹性模量增长幅度最大。

2.2 抗折强度、耐压强度和剪切强度

测定试样在不同温度下的抗折强度、耐压强度和剪切强度，测试结果如图2、图3、图4和图5所示。

图2、3中可以看出，在1300-1500 ℃温度下，配方S1、S2、S3的试样抗折强度、耐压强度均无大的变化，抗折强度大约为2．5 MPa，耐压强度在10-20 MPa范围内；1500-1600 ℃温度范围内，抗折强度和耐压强度变化很大，S2、S3试样变化幅度较小，S1试样变化幅度大，抗折强度由2．5 MPa剧增至32．5 MPa，耐压强度由10 MPa剧增至120 MPa。

表3 实验配方Tab.3 Experiment formulas

图4为试样在25 ℃、110 ℃、300 ℃下的剪切强度。25-110 ℃时，剪切强度随温度的升高而增加；110-300 ℃时，剪切强度随温度升高而下降。且在25-300 ℃温度范围内，剪切强度始终是：S1＞S2＞S3。图5为试样在高温烧成后的剪切强度随温度变化趋势，在1300-1500 ℃时，S1试样剪切强度大，在2．2 MPa左右。随着烧成温度到1600 ℃，不同配比试样的剪切强度明显增大。

2.3 XRD物相分析

图1 试样杨氏模量随温度变化曲线Fig.1 The variation of the Young’s modulus with the temperature

图3 试样耐压强度随温度变化曲线Fig.3 The compressive strength as a function of the temperature

图5 高温烧成后试样剪切强度随温度变化曲线Fig.5 The shear strength as a function of the temperature for samples sintered at high temperatures

图2 试样抗折强度随温度变化曲线Fig.2 The rupture strength as a function of the temperature

图4 低温下试样剪切强度随温度变化曲Fig.4 The variation of the shear strength with the temperature for samples at low temperatures

图6 不同温度烧成后S1试样的XRD衍射图谱Fig.6 XRD patterns of S1 samples sintered at different temperatures

图6 为试样S1的XRD图，在1300 ℃时试样中有Al2O3、SiO2、CaAl2Si2O8和3Al2O3·2SiO2，加入的SiO2原料未完全反应，其中CaAl2Si2O8是铝酸钙和二氧化硅反应生成。随着温度升高到1500 ℃，试样中CaAl2Si2O8和SiO2物相消失，莫来石的衍射峰的强度增大，CaAl2Si2O8分解，生成的SiO2与Al2O3反应生成莫来石。烧成温度到1600 ℃时，S1试样中物相只有Al2O3和3Al2O3·2SiO2，但是3Al2O3·2SiO2衍射峰的强度降低和衍射峰减少，可能是生成的莫来石在杂质离子的作用下分解，生成的SiO2又以玻璃相的形式存在。

图7是试样S2的XRD图。在1300-1500 ℃温度范围内，都有Al2O3、SiO2、3Al2O3·2SiO2和CaAl2Si2O8。温度到1600 ℃时，SiO2和CaAl2Si2O8物相消失，3Al2O3·2SiO2衍射峰的强度降低，Al2O3为主晶相，可能是CaAl2Si2O8分解，生成的SiO2为玻璃相。

图8是试样S3的XRD图。在1300 ℃时有CaAl2Si2O8生成，SiO2只是少部分参加反应。随着温度升高，烧成温度到1500 ℃时存在Al2O3、3Al2O3·2SiO2和以玻璃相存在的SiO2。温度到1600 ℃，只有Al2O3和3Al2O3·2SiO2。

2.4 SEM分析

根据对试样的力学性能及XRD分析，试样S1性能较好，现对试样S1在1300 ℃、1400 ℃、1500℃和1600 ℃下进行SEM分析。如图9，在1300 ℃烧成后试样无明显晶粒形状，但颗粒之间发生团聚；1400 ℃时出现不规则晶粒；1500 ℃时明显有短柱状晶粒生成，其能谱显示，该物相为莫来石；1600 ℃时有长柱状3Al2O3·2SiO2晶粒生成。

图7 不同温度烧成后S2试样的XRD衍射图谱Fig.7 XRD patterns of S2 samples sintered at different temperatures

图8 不同温度烧成后S3试样的XRD衍射图谱Fig.8 XRD patterns of S3 samples sintered at different temperatures

图9 在不同温度下烧成的S1试样SEM照片：(a) 1300 ℃; (b) 1400 ℃; (c) 1500 ℃; (d) 1600 ℃Fig.9 SEM images of S1 samples sintered at different temperatures: (a) 1300 ℃; (b) 1400 ℃; (c) 1500 ℃; (d) 1600 ℃

3 结 论

以Al2O3和SiO2为主要原料，外加铝酸钙水泥制备一种新型无机高温粘结剂。通过对试样进行物理性能测试、物相分析和显微结构表征，发现在1600 ℃烧成后不同原料配比的试样中均有Al2O3和3Al2O3·2SiO2相；随着烧成温度的升高，生成的莫来石晶粒发育更加规则；按质量比Al2O3: SiO2=5: 1在1600 ℃下烧成的试样力学性能较好，其抗折强度、耐压强度和剪切强度分别为31．72 MPa、119．14 MPa和3．75 MPa。

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