氧化铝耐火材料中性能良好的氧化铝和莫来石微粒在热机械性方面的表现

氧化铝耐火材料中性能良好的氧化铝和莫来石微粒在热机械性方面的表现摘要：氧化铝和莫来石细微粒（〜5微米）与粉浆浇注氧化铝莫来石耐火材料相结合，以此来研究它们的显微结构、机械性能和热震性的影响。氧化铝微粒的加入能显著地提高耐火材料的致密性和机械性能，与之相比，莫来石微粒的加入，则使耐火材料具有多孔性和低的机械性能。伴随氧化铝的加入，材料抵抗裂纹发生的性能也在增加，这是被R参数所证实。因此，需要更大的断裂表面能来连接裂纹的增殖，与断裂韧度的重要性相联系。提高冷却温度（maybe淬火温度）也可以提高强度和杨氏模量，导致高抗热震性。作者关键字：氧化铝，莫来石，粉浆浇注，耐火材料，机械性能，热震性。1.介绍莫来石已被用于研究结构陶瓷的应用，因为它具有高抗热震性，，高抗蠕变性和化学耐侵蚀性。但是，莫来石陶瓷潜在的性能却不能很容易的被开发成为高温结构陶瓷，因为很难得到完整的没有附加产物的密实物和形成玻璃相的微粒边界。氧化铝是很好的候选者，以提高莫来石基材料的机械性能，因为玻璃相的形成可以被加入氧化铝合金的莫来石陶瓷所控制。莫来石固溶烧结体的相对密度，硬度和断裂韧性相当低，但随着铝浓度的增加却相反。据报道，加入高性能的氧化铝微粒（＞10vol.%）导致紧实收缩大量减少，导致实密度伴随颗粒体积分数增加。此外，中等数量的莫来石和氧化铝在耐火材料中的出现，提供了高的抗热震性。本文介绍了粉浆浇注耐火材料的机械性能和热震性如何被添加高性能氧化铝和莫来石微粒所影响。2.实验目前实验，准备了两个不同组的粉浆浇注料。第一组由粗的（-2+1mm）和中等的（+1000+20um）氧化铝莫来石微粒组成，其中包含5um性能良好的氧化铝微粒。命名为样品A。第二组同第一组，命名为B。耐火材料相组成如下（体积百分数）：样品A：75%氧化铝，20%莫来石，5%粘土。样品B：55%氧化铝，40%莫来石，5%粘土。粘土的化学组成：48.3%SiO,37.6%AlO,1.1%KO,2 23 20.5%Feq,0.4%Na2O,0.1%CaOand12%结合水。粉浆浇注到尺寸为100X10X15mm3的容器中，在110°C中干燥一天，然后在1600C条件下烧制2小时。加热和冷却速率在分别在300和200°C/h。容重和显气孔率乃采用标准水浸泡法。机械和热震性的测量是通过把具有代表性的容器放置水中测量从1200C冷却到300C的时间。那些长条试样利用美思-SMT50拉伸测试器的跨径为90mm的滚轴测试三点弯曲形状，实验速度为1mm每分钟。测试五个样本来得到每一个的冷却温度(淬火温强度(。)和杨氏模量(E)被用于标准等式：E=L3m/(4WD3)L为支撑跨径的长度，W是样本宽度，D是样本厚度，m是在初始直线的负载部分挠度曲线切线斜率。断裂韧性测定采用单边缘缺口梁(SENB)技术和1毫米厚的金刚石刀片产生深入的比例为0.25缺口。断裂韧性(％。)以最大荷载公式计算：-ipiP为断裂荷载，c为切口深度，Y|为抗裂纹初始扩展测量量，C为临界裂纹长度，Y=[A+A(c/D)+A(c/D)2+A(c/D)3+A(c/D)4].Y为0 1 2 3 4无量纲，依赖于加载几何和裂纹配置L/D^8,%=+1.96,Aj-2.75,A「+13.66,%=-23.98,%=+25.22。R参数可以表示为裂纹萌生的难度，并预测了材料的抗断裂的热应变。R可由公式计算(R=[a(1-，)]/(Ea)｝，v是泊松比，a是耐火材料的平均热膨胀系数。A的值与杨氏模量有关，体积分数和各部件的热膨胀系数由特纳得出的方程计算出。用CamScan4扫描电子显微镜得到中级的和背散射电子像用来检验显微结构和断裂表面。3.结果和讨论代表样品A和B的容重值分别为2.9和2.6gcnn。这些样品的化学组成如下：93.4%A12O3,6.6%SiO2(A);and87.5%A12O3,12.5%SiO2(B).Fig.1a以每个元素的分布图显示了莫来石耐火材料微观结构。耐火材料中的孔隙主要集中在莫来石品粒粗，但是一些是集中在氧化铝微粒处。一个这样大的孔洞形成的可能原因是莫来石微粒的不同烧结与氧化铝颗粒由于密度差异。研细的氧化铝粉末结合在烧结的样品A中，提高了体积密度和强度值，比样品B对颗粒间的孔隙度减少空隙填充和快速烧结。Fig.1b说明了一个样本之间的粗品粒细颗粒高氧化铝填料。相反，样品B的孔隙主要集中在氧化铝和莫来石晶粒界面，因此观察到相对薄弱界面在针状莫来石品须的长度较短处。(Fig.1c).Full-sizeimage(84K)氧化铝莫来石耐火材料分布(A:氧化铝，M:莫来石，P:多孔性):(a)样品A,(b)样品A,(c)样品B.总所周知，热膨胀系数的显着差异，莫来石为..5.3X10-6K-1氧化铝为.7.8X10-6K-1导致氧化铝和莫来石晶粒之间明显裂缝发展，由于在制造过程中1600°C冷却的大拉环向应力。可以从Fig.1a中看出，氧化铝和莫来石微粒周围观察到裂缝的形成，当裂缝到达莫来石品粒组，裂纹扩展稳步下降。经过粗品粒之间的相互联系的裂纹碰到孔隙，发生裂纹钝化，因此进一步阻止裂纹扩展增加，如Fig.1a所见。这些明显的孔隙度值和样品A和B的机械性能在表1中呈现。良好性能的莫来石微粒的加入导致粗品粒之间低的堆积密度和相对低的机械性能。但是，加入良好性能的氧化铝微粒显著的增加了强度（，70%）和杨氏模量（..50%）。这种改善表明样品的临界裂纹长度是有限的，裂纹扩展缓慢发生，虽然这些样本计算临界裂纹长度有相同的值。这是因为在显微结构中无论是烧结形态及气孔分布，观察到发育良好的界面，裂缝被阻止在孔隙周围蔓延。样品A的Kic值也有显著的提高，上升了1.6倍。Y|值被认为初始裂纹扩展需要大量能量，而样品A比样品B高很多，因此更多能量需要连接裂纹扩展。正如抵抗热应变参数R预测和支持，材料包含良好的氧化铝微粒展现出更高的抵抗由热应变产生的裂纹萌生，有关B试样（Table1）。表1样品A和B的表观孔隙度值和机械性能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，大多数品间，与一些穿品断裂在样品B中，观察到莫来石品须的针状短长度。但是Fig.3aandb表明，品间和较大的穿品断裂通过氧化铝微粒强键处细颗粒和粗颗粒界面间发生。断裂路径主要变化从品间到明显的穿品断裂通过加入磨细的氧化铝微粒，与提高断裂表面能和样品A的断裂韧性相联系。Full-sizeimage(67K)Fig.2.B样品的断裂表面，1200°C（t:穿品，i:品间）：（a）刻度：20口m（放大倍数：X1250）,（b）刻度：20口m（放大倍数：X1750）Full-sizeimage（78K）Fig.3.样品A的断裂表面，1200°C（A:氧化铝，t:穿品，i:品间）：（a）刻度：50口m（放大倍数：X770）,（b）刻度：20口m（放大倍数：X1370）.Fig.4aandb显示强度和杨氏模量值随着淬火温度升高而减小趋势，样品A的强度和杨氏模量值在1200°C更高。可以看出强度（＞40%）和杨氏模量（＞30%）值显著的增加在加入磨细的氧化铝微粒后。这种提高表明样品A的残留强度比样品B更高，在有限的断裂尺寸和缓慢的裂纹扩展，这与更高的机械性能相关。Full-sizeimage(8K)Fig.4.氧化铝莫来石耐火材料的机械性能作为淬火温度特点(a)抗弯强度(b)杨氏模量4.结论虽然添加研细的莫来石致使高孔隙率和低机械性能，密实性和机械性能的显著增加伴随着细的氧化铝微粒的加入，通过提高粗颗粒品间键强。此外