刚玉和引入性莫来石对原位莫来石的结构性能影响的对比分析

摘 要：本文研究了刚玉和引入性莫来石对原位莫来石结构性能的影响，从材料组成、微观结构、力学性能和相组成等多维度进行对比实验归纳总结。通过对比分析不同的结果，本文探讨了刚玉和引入性莫来石在提高原位莫来石性能方面不同的作用和影响，多角度分析了热稳性能差异化的原因。

关键词：板状刚玉；白刚玉；莫来石；热稳性

1 引 言

在高温工业应用中，莫来石因其优异的高温稳定性和耐磨性而被广泛研究。刚玉和引入性莫来石作为改性材料，对原位莫来石的性能有显著影响。刚玉和引入性莫来石改性后的原位莫来石，在耐火材料、陶瓷工业和航空航天等领域展现出广泛的应用前景[1]。通过优化材料组成和微观结构，可以进一步提高其在工业应用中的性能和可靠性。

刚玉和莫来石的化学组成对材料性能有基础性影响。刚玉主要成分为Al2O3，具有高硬度和耐磨性[2]。莫来石则主要由Al2O3和SiO2组成，展现出良好的高温稳定性[3]。引入性莫来石的添加，可进一步优化原位莫来石的化学组成，提高其综合性能[4]。

微观结构对材料的力学性能和热稳定性具有决定性作用。刚玉的引入可以细化原位莫来石的晶粒，提高材料的致密度[5]。同时，引入性莫来石的添加能够改善原位莫来石的微观结构，增强其抗热震性能[6]。但是同种材料往往具有不同形态和结构，例如刚玉可以分类多种类型，同种材料根据不同分布和形态往往会产生不同的效果。本文旨在通过外引入板状刚玉、白刚玉、莫来石不同类态的组相，从多维度探讨其对原位莫来石结构和性能的影响。

2 实验

实验所用原料有：40目的板状刚玉、40目的电熔莫来石和80目的白刚玉，微粉采用5微米的氧化铝粉，引入的硅源是高岭土。原位莫来石（用MR代表）需要的氧化铝和氧化硅比例按照理论比进行配料，即摩尔比Al2O3：SiO2=3：2，铝粉与高岭土比例w%=56.4：43.6。原料的化学组成见表1。

引入莫来石、白刚玉和板状刚玉分别用ML、WA和TC表示，三者占比都是40%（w%），其余是原位莫来石占比，三组试样标号前后分别是A1、A2和A3，试样配比见表2所示。

按照表2进行配制，外加适量的分散剂，经过球磨、干燥、粉碎、过筛、加水和结合剂混料、陈腐均化、压制成样条、烘干烧结等工艺制作试样。压条模具尺寸为10mm×10mm×100mm，压力是60MPa，压制好的样条经过110℃的温度24h烘干，用电炉温度加热到1600℃保温2h。

分别按照GB/T2997-2000、GB/T5988-2007、GB/T3001-2017和SY/T5163-2018检测烧后试样的显气孔率、体积密度、常温抗折强度和XRD。参照GB/T30873-2014将烧好试样在850℃保温20min，再进行水冷，经过120℃干燥检测残余抗折强度，计算残余强度保持率。

试样的相组成采用X线衍射仪（Ultima IV 日本）进行检测分析，采用电子扫描显微镜VEGA3 TESCAN分析样品显微结构，二次电子图像分辨率：3.0 nm。

3 结果与讨论

3.1性能检测结果

经过外引入性添加莫来石、白刚玉和板状刚玉，原位莫来石复合后烧结试样的性能对比见表3。显气孔率A3最高，A1最低；吸水率与显气孔率保持一致；体积密度A2最高，A1与A3接近；常温抗折强度（代号为MOR）A2最高，A3最低；水冷热震后抗折强度（代号为HEMOR）同样是A2最高，最低的是A1；残余保持率（代号为CRR）最高的是A3，最低的是A1。

从以上结果看，吸水率与显气孔率保持正相关，与体积密度是负相关。常温抗折强度与体积密度基本是正相关。热震后抗折强度的大小与常温抗折强度基本保持一致，也属于正相关。热震前后抗折强度的保持率即残余保持率，与其余指标都不相关，表现其独特的复杂性。

图1可以清晰显示出试样的力学性能对比结果，加入白刚玉的试样A2常温抗折强度最高，热震后抗折强度也是最高，但是保持率却相对较低，说明白刚玉的引入虽然提高了强度，但是热震敏感性更高并没有提高热稳性能。加入板状刚玉的试样A3常温抗折强度最低，但是热震后的抗折强度保持率却是最高的，说明板状刚玉的引入虽然降低了常温强度，但是提升复相莫来石的热稳性能。加入莫来石的试样A1常温强度处于中间位置，但是保持率却是最低的，这与常规观点不符：引入性莫来石的添加能够改善原位莫来石的微观结构，增强其抗热震性能[6]，实验结果显示加入莫来石并没有提高热稳性能，这与文献观点不一致。结合下面的SEM检测结果分析其异常的原因。

3.2 SEM结果与分析

图2是三种试样的微观结构的扫描照片。最左侧的照片是加入莫来石的试样A1，最显著的特征是材料内部出现了几十微米的长形气孔，巨型气孔分布于引入莫来石的周围，断裂面大多是沿着晶界和气孔断裂，原位莫来石的形状是长柱状。中间位置是加入白刚玉的试样A2，照片显示断裂面是穿过晶体断裂，莫来石形状是短柱形状，气孔尺寸比较小而且分布均匀。右侧照片是加入板状刚玉的试样A3，板状刚玉可以明显凸显出来，断裂面是沿着晶界开裂，原位莫来石形状是长柱状，气孔大部分分布在板状刚玉之间，气孔尺寸是5到10微米。

力学性能是评价材料实用性的关键指标。研究表明，刚玉的添加可以显著提高原位莫来石的抗弯强度和断裂韧性[7]。而引入性莫来石则通过改善材料的微观结构，提高其抗热震性和耐磨性[8]。根据表3可知，加入白刚玉的试样A2抗弯强度最高，但是加入板状刚玉的试样A3强度却是最低，说明刚玉类型不同造成的力学性能也不同。结合图2可知，A2气孔细小分布均匀，断裂面是穿晶断裂，材料内部比较致密，这是复合材料强度高的原因；A3试样气孔较大，断裂面是晶界断裂，致密度低，这是引入板状刚玉造成复合材料强度低的原因。A1试样远离大气孔的部分比较致密，但是大气孔影响到了复合材料的整体强度，主要原因是电熔莫来石活性低和表面粗糙，在凹形部位的界面原位莫来石产生形核需要更大能量进行传质，更容易形成大气孔。

在高温环境下，材料的热稳定性至关重要。刚玉和引入性莫来石的引入，能够提高原位莫来石的热膨胀系数和抗热震性能[9]。但是，本次实验结果显示更复杂，结论并不是与相关文献的观点一致。莫来石的线膨胀系数（20-1000℃）5.3×10-6/℃，而刚玉的线膨胀系数为7.8×10-6/℃，膨胀系数越大在高温时产生的热应力越大，抗热震性越差，所以加入白刚玉的A2试样热震后强度保持率低。但是加入板状刚玉的A3试样热稳性却是最好的，结合图2可知，虽然刚玉产生较大的热应力，但是板状刚玉周围分布有大量气孔，气孔尺寸适中且分布均匀，这些气孔能够很好分散热应力，明显降低了热应力造成的破坏，所以加入板状刚玉提高了复合材料的热稳性。

莫来石膨胀系数较小，产生的热应力会更小，热稳性应该更好，但是根据图1加入莫来石的试样A1热震后的强度保持率CRR却是最低的，这是因为从图2可以看出，部分引入莫来石周围出现一些大气孔，大气孔能够快速集中大量热应力，反而加速了裂纹扩展和断裂。

3.3 晶相检测与分析

表4是三种试样的XRD检测结果。加入莫来石的试样A1莫来石相（代号为Mul）最高达到71.5%，出现少量刚玉相（代号为Cor），非晶相（代号为Gla）25%；加入白刚玉的试样A2莫来石相29%，刚玉相41.5%，非晶相最高为29.5%；加入板状刚玉的试样A3莫来石相含量与A2接近，刚玉相最高为47%，非晶相与A1接近为24.5%。

根据表2可知，试样A1加入莫来石ML40%，减去这部分新产生的莫来石为71.5%-40%=31.5%，略微高于A2和A3的莫来石相Mul，说明引入性莫来石有利于提高莫来石转化。这是因为引入性莫来石的部分晶界加速了莫来石反应形核，提高了反应效率。虽然莫来石转化率有所提高，但是并不明显，其原因是本次使用的是电熔莫来石活性低，另外引入性莫来石粒度大自由能和表面能较低。氧化铝一部分转化生成莫来石，有一部分溶入到非晶相，最后剩余部分成为少量刚玉相。

图3是三种试样相组成的直观图，更能清晰显示组成特点。图中显示，A3的刚玉相Cor最高，结合图2可知，板状刚玉影响了传质，也会降低强度，这与前面图1相一致。A2与A3引入的刚玉相虽然种类不同，但是最终的刚玉相比例相对接近，因为刚玉相主要来源于引入性刚玉，这部分一般不参与莫来石反应。

本次实验中原位莫来石MR配料比例和使用的原料相同，从图3可以看出非晶相Gla在A2试样中最多，A1和A3较少。根据图2，试样A2引入白刚玉为第二相，照片显示气孔细小而且分布均匀，说明非晶相分布的毛细网络结构通道细小，分布密集，这造成非晶相流动阻力较大，大部分的非晶相得到留存。A1和A3气孔尺寸较大，有部分气孔相互贯通，从表3可以看出，他们的体积密度比较接近而且相对小，这些有利于非晶相的流动性提升，所以非晶相含量较少。另外，A1和A3从图2可以看出，产生的莫来石形状是长柱状，长径比较大，而A2莫来石长径比小，这与非晶相的流动性有关。非晶相流动性越好，传质距离越远，越有利于莫来石生长长径比越大，由于莫来石是异向生长，主要生长晶面是（001）面，良好的传质促进了异向生长。

4 结论

（1）引入白刚玉的复相莫来石内部气孔细小分布均匀，断裂面是穿晶断裂，材料本身致密，提升了抗折强度，但是这反而不利于分散热应力，造成热稳性较差。

（2）引入板状刚玉的复相莫来石内部气孔较大，断裂面是晶界断裂，致密度低，降低了抗折强度，但是这反而有利于分散热应力，造成热稳性较好。

（3）简单引入性莫来石不一定可以改善热稳性能，原因是莫来石种类不同，分布状态不同，其效果也不同。有的界面结合力差，甚至出现大气孔，促进了应力集中，加速裂纹扩展和材料断裂，这反而不利于提升材料热稳性能。

（4）材料内部气孔细小且分布均匀，说明非晶相分布的毛细网络通道细小，分布密集，这造成非晶相流动阻力较大，最终大部分的非晶相得到留存。非晶相流动性越好，传质距离越远，越有利于莫来石生长其长径比越大。

参考文献

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[2] Li， H.， & Wang， H. （2020）. Mechanical properties of mullite ceramics reinforced with alumina. Ceramics International， 46（1）， 95-101.

[3] Chen， D.， & Zhou， Y. （2018）. Synthesis and properties of mullite-alumina composites. Journal of Advanced Ceramics， 7（1）， 47-54.

[4] Wang， L.， & Zhang， Q. （2017）. Effect of seed crystals on the microstructure of mullite. Materials Science and Engineering： A， 689， 1-6.

[5] Zhao， X.， & Li， F. （2016）. Grain refinement of mullite ceramics by adding alumina. Journal of the American Ceramic Society， 99（5）， 1551-1557.

[6] Liu， Y.， & Huang， X. （2015）. Thermal shock resistance of mullite ceramics with different grain sizes. Ceramics International， 41（9）， 11605-11610.

[7] Zhou， J.， & Li， H. （2014）. Mechanical properties of mullite ceramics with alumina addition. Journal of Materials Science， 49（14）， 5065-5071.

[8] Zhang， Y.， & Wang， X. （2013）. Thermal stability of mullite ceramics with seed crystals. Journal of Materials Research， 28（11）， 1517-1523.

[9] Wang， D.， & Zhang， J. （2012）. High-temperature properties of mullite ceramics with alumina and zirconia. Journal of the European Ceramic Society， 32（2）， 333-339.