烧成制度对合成堇青石的结构和性能的影响

王玉梅

（广东金刚新材料有限公司，佛山 528200）

1 前言

凹凸棒石是一类链层状富镁铝硅酸盐天然纳米材料，具有低温烧结特性，其理想结构式为［（OH2）4（Mg，Al，Fe）5（OH）Si8O2］·4H2O[1]。在微观状态下呈现截面直径10～30 nm棒状单晶和棒状单晶聚集体，存在0.38×0.63 nm左右孔道。因此该原料以高比表面积和高吸附活性等特点广泛应用于工业吸附[2]。例如：钟明强等人[3]采用聚丙烯（PP）改性凹凸棒石与聚烯烃弹性体制备成复合材料，从而使其力学性能、流变性能显著提高。罗士平等[4]采用改性纳米凹凸棒石改性酚醛胶黏剂，从而提高其剪切强度、降低游离甲醛含量。大部分凹凸棒石研究集中在高分子复合材料方面，但将凹凸棒土制备陶瓷基复合材料却较少被报道。

堇青石是一种热膨胀系数较低的材料，制备而成的产品较多，如堇青石窑具[5]、堇青石垫板、堇青石蜂窝陶瓷[6]等，应用范围很广，一般生产厂家以滑石、高岭土和氧化铝粉为原料进行合成堇青石质陶瓷材料，滑石几乎没有塑性，所需要的成型要求及合成堇青石的范围较窄，不利于大规模生产。

本文引用凹凸棒粘土进行合成堇青石质陶瓷材料，在国内还未见报道。

2 试验

2.1 复相陶瓷的制备

复相陶瓷的制备工艺流程如下：原料→烘干→称料→球磨→烘干、过筛→干压成型→干燥→烧成，加入一定量的添加剂，成型压力为30 MPa，试样尺寸（mm）为：50×10×5。坯体干燥后，将各试样在硅钼棒炉中于1350℃保温2 h烧成，停止加热后随炉温自然冷却。

2.2 复相陶瓷的性能表征

采用阿基米德法测试烧结体的吸水率和体积密度，利用Y-4型的X射线衍射仪分析试样的晶相；利用德国耐驰DIL402PC热膨胀系数检测仪对试样的热膨胀系数进行检测。

2.3 试验的设计

（1）配方设计。

表1 配方比例

（2）烧成制度设计。

表2 烧成制度（一）

表3 烧成制度（二）

表4 烧成制度（三）

3 结果与讨论

3.1 试样的烧结状况

从烧结性能来看，分别在1000℃、1100℃和1200℃下进行保温，在各保温温度下，随着保温时间的延长，辊棒的吸水率显著降低，尤其是1000℃下保温，吸水率降低较为显著。

因为凹凸棒粘土为层状结构，在中温时，层状结构中的Mg2+会从结构中脱离出来，需要一定的能量，因此在1000～1200℃下进行保温一定的时间。传统合成堇青石的方法为滑石、氧化铝和粘土进行反应烧成，由于滑石和凹凸棒粘土的结构不同，因此合成所需要的温度也不相同，在1100℃下随着保温时间的增加，试样的吸水率略有降低，但是其体积密度先增大后减小，这是因为保温时间提高，烧结致密度提高。但是继续保温，合成的堇青石的含量更多，而堇青石材料的密度较小，因此呈现如上规律。在1200℃下进行保温6～14 h，试样的吸水率变化不大，体积密度也较为稳定，这说明，其烧结性能达到要求，不再合成新的堇青石。

3.2 试样的热膨胀系数及物相情况

从以上试验结果可以看出，在1000℃和1100℃下保温时间6～10 h，热膨胀系数均在3.80～3.85×10-6/℃内变化，堇青石的含量较低。这是因为在1200℃以下，虽然温度带来的能量足够破坏凹凸棒粘土的结构，使其与氧化铝粉和粘土中的二氧化硅反应生成堇青石相，但这是利用足够的保温时间来达到的，这对于堇青石的晶核形成堇青石晶体所需要的能量有所不足，堇青石晶相的生长所需要的“温床”欠缺，莫来石晶核及细小的晶体来不及长大，被玻璃相所包裹，因此，还存在一定量的石英相，玻璃相的含量也较高。

表5 烧结性能

1200℃时进行保温，堇青石相的含量显著提高，对应的热膨胀系数也下降明显。这是因为1200℃已经达到了凹凸棒粘土及氧化铝粉和粘土反应生成堇青石的温度，足够的保温时间提供了晶核形成为堇青石晶体的足够能量。随着温度的继续升高，当温度达到1350℃时，所形成的的晶体均存在不同程度的长大，1350℃下保温2 h，晶体进一步发育完全，因此所检测到的堇青石相含量较大。

表6 热膨胀系数及相组成

4 结论

（1）通过凹凸棒粘土可以实现堇青石的合成；

（2）堇青石相合成需要足够的能量，在烧成温度前，需要一定的保温时间，1200℃保温效果较1000℃和1100℃保温效果要好；

（3）利用凹凸棒粘土合成堇青石的温度较传统合成法合成温度要低30～50℃；

（4）在1200℃保温10 h，并达到烧结温度下，可制备出吸水率为9.95%、堇青石含量为35%、热膨胀系数为3.58×10-6/℃的复相功能陶瓷材料。