CaO/Si02比對偉晶巖多孔微晶玻璃性能的影響
摘要：為了研究Ca0與Si02質(zhì)量比對偉晶巖多孔微晶玻璃性能的影響，以CAS多孔微晶玻璃為研究對象，通過DTA、XRD、SEM和三點(diǎn)彎曲法等分析手段進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著Ca0與Sio2質(zhì)量比例的增加，副硅灰石晶體的長徑比逐漸減小，當(dāng)Ca0與Si02質(zhì)量比為18:60時，副硅灰石晶體體積分?jǐn)?shù)為{zd0}：隨著CaO/Sio2質(zhì)量比的增加，主晶相沒有發(fā)生改變，均為副硅灰石晶體：樣品的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均隨Ca0與S102質(zhì)量比的增加而增加，當(dāng)增加到一定值后又星下降趨勢：樣品耐酸性的{zd0}抗折損失率達(dá)到了0. 304 5，耐堿性能的{zd0}抗折損失率為0.31654。
多孔微晶玻璃的研究與發(fā)展已經(jīng)受到人們的重視，特別是多孔微晶玻璃在能源、環(huán)保、化學(xué)工業(yè)和建筑等方面的應(yīng)用、開發(fā)及推廣將帶來無窮的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，多孔微晶玻璃具有耐熱、不污染、機(jī)械性能高、硬度高和可以加工成形等優(yōu)點(diǎn)，多孔微晶玻璃是由非晶態(tài)無機(jī)材料經(jīng)過控制熱處理工藝而得到的含有封閉孔或連通孔的微晶結(jié)構(gòu)的新型材料，其性能是由微孔、晶相和玻璃相的化學(xué)組成以及它們的結(jié)構(gòu)、分布和所占比例多少決定的。多孔微晶玻璃因其特殊的制備工藝和優(yōu)良的性能受到人們。
影響多孔微晶玻璃性能的因素很多，主要有主晶相的種類和內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)等，這些因素受基礎(chǔ)玻璃中各種氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，本文以Si02 -Al203 -Ca0系統(tǒng)多孔微晶玻璃為基礎(chǔ)，研究CaO/Si02對偉晶巖多孔微晶玻璃性能的影響。
1 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)的主要原料有：偉晶石、二氧化硅、無水碳酸鈉、硼酸、碳酸鈣、硝酸鈉、氧化鋅、硬脂酸和聚乙烯醇，除偉晶石之外的原料均為分析純試劑，偉晶石的化學(xué)成分是通過德國布魯克公司生產(chǎn)的X光射線熒光光譜儀(SRS-3400型)定量分析而得到的結(jié)果，可見，偉晶石的主要成分為二氧化磋和氧化鋁，是制備Si02 -Al2 03 -Ca0玻璃良好的材料．將實(shí)驗(yàn)原料按照表1的氧化物配比準(zhǔn)確稱量混合。
將混勻的料放入坩堝內(nèi)熔制，1450℃下澄清均化3h后水淬，再烘干、粉碎，將粉碎后的玻璃顆粒過150μm的篩子，得到5組配比不同的基礎(chǔ)玻璃粉末，再分別稱取70玻璃粉末加入20硬脂酸(150μm)、10聚乙烯醇(150 μm)和一定量的水?dāng)嚢杈鶆?，放入模具中，?0 MPa壓力下壓制成型，放入自致的耐火磨具中加熱，進(jìn)行核化和晶化，為了防止硬脂酸在坯體燒結(jié)的過程中膨脹速度過快而造成坯體開裂，應(yīng)在530℃之前采用2℃/min的低升溫速率燒結(jié)，530℃以后采用7℃/min的升溫速率燒結(jié)，熱處理工藝結(jié)束后隨爐冷確便制得多孔微晶玻璃．
2 結(jié)果及討論
2.1微觀性能分析
2.1.1 CaO/S102比對多孔微晶玻璃顯微結(jié)構(gòu)的
多孔微晶玻璃的晶體形貌發(fā)生了變化：1#和2#樣品中的副硅灰石晶體規(guī)則排列，而且晶體呈長柱形狀：3#樣品中的晶體比較密集，而且晶體呈長針狀：4#和5#樣品中副硅灰石晶體體積分?jǐn)?shù)較少，而且排列的不規(guī)則，晶體呈短柱狀，即隨著Ca0與Sio2質(zhì)量比例增加副硅灰石的長徑比逐漸減小了，而且從1#一5#樣品中，當(dāng)Ca0與Si02質(zhì)量比例超過一定限度時，即3#樣品中，副硅灰石晶體的體積分?jǐn)?shù)是{zd0}的，從4#樣品開始晶體的體積分?jǐn)?shù)開始減少，這是因?yàn)殡S著Ca0與Si02質(zhì)量比例的提高，樣品玻璃的析晶、燒結(jié)活畫能降低的原因．Ca0取代Si02后，增加了網(wǎng)絡(luò)外體量，使得玻璃網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)度下降，有利于質(zhì)點(diǎn)的移動，從而導(dǎo)致玻璃的活畫能下降．活畫能下降促使微晶玻璃在一定的溫度下析出更多的晶核，這些晶核在更高的溫度下慢慢地長大，ZUI終成為晶體：隨著Ca0與Si02質(zhì)量比例的繼續(xù)升高，超過一定值時，玻璃試樣燒結(jié)范圍降低，起始析晶溫度降低，晶體在較低溫度析出，導(dǎo)致試樣玻璃中粘度增加很快，阻礙了晶體在有限的空間里生長：同時晶體數(shù)量增加，使它們生長時受到周圍其他晶體阻擋的幾率也相應(yīng)曾大，這些晶體間的相互阻擋阻礙了晶體的生長，使得晶體不能正常地發(fā)育成針狀，而且，從SEM圖片上可以明顯地看出，副硅灰石晶體的尺寸逐漸減小了。2.1.2 CaO/Si0，比對多孔微晶玻璃晶相的影響 對1#一5#多孔微晶玻璃試樣進(jìn)行XRD晶相鑒定從圖2中可見，l#一5#樣品在20= 300左右都出現(xiàn)了較強(qiáng)的衍射峰，通過查閱JCPDS卡片76-0925#確定主晶相為副硅灰石（單斜晶系），隨著Ca0與Si02質(zhì)量比例的增加，主晶相沒有發(fā)生改變：試樣的晶體特征衍射主要表現(xiàn)為副硅灰石晶體的衍射特征，且峰值清晰、尖銳，這說明試樣玻璃的結(jié)晶度很高。
2.2理化性能分析
多孔微晶玻璃的顯著特性就是孔隙、晶相與殘余玻璃相之間的交錯，這一特征決定了多孔微晶玻璃的性能，在多孔微晶玻璃結(jié)構(gòu)中，孔隙、晶相與殘余玻璃相比例有很大的不同，當(dāng)孔隙體積比例小的時候，多孔微晶玻璃內(nèi)晶相和玻璃相交錯分布，由此可見，多孔微晶玻璃的性能主要取決于微晶玻璃的性能：當(dāng)晶相的體積分?jǐn)?shù)大時，玻璃相和孔隙在相鄰的晶體間就會形成薄層，或是在晶界處形成孤立的小塊：當(dāng)玻璃相比例大，孔隙和晶相所占比例特別小時，幾乎形成連續(xù)的基體，在這種情況下，玻璃相性質(zhì)將強(qiáng)烈影響微晶玻璃的性質(zhì)．由于多孔微晶玻璃晶體通常是在沒有應(yīng)力足以導(dǎo)致晶體定向排列的情況下，從一個均質(zhì)液相中析出的，因此，它們是雜亂取向的：孔隙同樣也不是有規(guī)律的排列，只是大范圍內(nèi)宏觀地呈均勻性，因此，控制好多孔微晶玻璃的各成分比例，可以得到物理化學(xué)性能良好的多孔微晶玻璃。
2.2.1抗壓強(qiáng)度測定
對多孔微晶玻璃試樣的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，采用WD4050電子{wn}試驗(yàn)機(jī)測試抗壓強(qiáng)度，將
試件切割成直徑為(20±1)mm.高(20±1)mm的圓柱體，然后放在試驗(yàn)機(jī)下壓板中新位置，以每秒(20±5)kg/cm2的速度均勻地施加壓力，直到壓力計指針倒轉(zhuǎn)時立即停止試驗(yàn)．每個組成的多孔微晶玻璃選5個試樣進(jìn)行試驗(yàn)。
多孔微晶玻璃的抗壓強(qiáng)度是指在受到外來機(jī)械壓力作用下，整體結(jié)構(gòu)被破壞時的強(qiáng)度，多孔微晶玻璃和普通的陶瓷、玻璃是一樣的，均屬于脆性材料。CAS多孔微晶玻璃試樣的受壓支撐體主要是靠副硅灰石晶相與玻璃相相互結(jié)合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于副硅灰石晶相數(shù)量多、個體微小、玻璃相起到類似“膠水”的粘合作用，因此，兩者之間應(yīng)有一個{zj0}比例，使試樣的抗壓強(qiáng)度達(dá)到理想狀態(tài)，若副硅灰石晶相比例增多，整體結(jié)構(gòu)中玻璃相相應(yīng)減少，對結(jié)構(gòu)的粘合作用不夠，那么也會導(dǎo)致強(qiáng)度變?nèi)酰悍粗惫杌沂啾壤郎p少，整體結(jié)構(gòu)中的“框架”減少，同樣會導(dǎo)致試樣的強(qiáng)度減弱，由圖4數(shù)據(jù)可見，在孔隙率一定的情況下，多孔微晶玻璃的抗壓強(qiáng)度隨著CaO/Si02比例的增加，先是增加到一定值后又呈下降趨勢．CaO/Si02比值從0. 22一0.30左右，試樣的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，說明副硅灰石晶相的體積分?jǐn)?shù)是增加的過程，同時氧化鈣的體積分?jǐn)?shù)增多，積聚作用使殘余玻璃相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密，說明玻璃相強(qiáng)度和整體強(qiáng)度都得到了提高嘲，當(dāng)Ca0與Si02質(zhì)量比為18:60時，抗壓強(qiáng)度為115.34 MPa，表現(xiàn)為幾種不同配比中的{zd0}值：隨著Ca0與Si02質(zhì)量比例繼續(xù)增加，抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，說明Ca0與Sio2的質(zhì)量比例生成的副硅灰石體積分?jǐn)?shù)有所減少，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)?，因此，試樣的抗壓?qiáng)度也出現(xiàn)減弱的趨勢。
2.2.2抗折強(qiáng)度
對多孔微晶玻璃試樣的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行測試，采用WD4050電子{wn}試驗(yàn)機(jī)測試抗彎強(qiáng)度，試樣規(guī)格為厚(10±1) mm，寬(20±1) mm，長(120±2) mm.試驗(yàn)時鉛淡流速為(100±20)g／s，均勻地施加壓力，直到壓力計指針倒轉(zhuǎn)時立即停止試驗(yàn)，每個組成的多孔微晶玻璃選5個試樣進(jìn)行試驗(yàn)，多孔微晶玻璃的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度基本類似，是整體結(jié)構(gòu)在外來機(jī)械力作用下遭到破壞時的強(qiáng)度 可見，在孔隙率一定的情況下，多孔微晶玻璃的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相似，也是隨著CaO/Si02比例的增加，先是增加到一定值后又呈下降趨勢．在試樣整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)的過程中，副硅灰石晶相體積分?jǐn)?shù)是增加的：當(dāng)Ca0/Si02比為18 /60時，抗折強(qiáng)度為37. 097 MPa，表現(xiàn)為幾種不同配比中的{zd0}值：隨著CaO/Si02比例繼續(xù)增加，抗折強(qiáng)度呈下降趨勢，說明試樣中副硅灰石體積分?jǐn)?shù)有所減少，試樣的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)減弱的趨勢。
2.2.3耐酸性和耐堿性
材料對水或其他化學(xué)試劑的抗侵蝕性，對于材料的使用具有重大意義．由于涉及的過程很復(fù)雜，因此，很多情況下，都有可能發(fā)生微晶玻璃的化學(xué)侵蝕現(xiàn)象，一般醉初的化學(xué)侵蝕發(fā)生在玻璃相上，這時侵蝕涉及到氫離子（或水和氫離子）和玻璃相中可動的陽離子（通常是堿金屬離子）之間的離子交換，接著硅氧結(jié)構(gòu)可能被一個水合過程所侵蝕．玻璃相中堿金屬離子大的可動性和結(jié)合性與晶相中類似的離子相比，將使玻璃相具有較大的反應(yīng)能力，從而消弱它的耐化學(xué)侵蝕能力。
本測試樣品各選10塊，配置20硫酸溶液和1. 0輕氧化那溶液備用．取試樣平行置于500 mL錐形瓶中，以試樣10 mm×55 mm表面接觸瓶底，試樣間距保持在1mm左右，加入酸（堿）溶液(200±5)mL，裝上回流冷凝器，用帶有調(diào)壓器的電爐加熱溶液和試樣，控制在0.5 h內(nèi)煮沸，調(diào)整電壓保持微沸狀態(tài)，1h后關(guān)閉電爐．冷確30 nun后，從冷凝器上端加入蒸餾水100 mL。取下錐形瓶，傾出液體后，將試樣取出，置于搪瓷盤中用大量自來水沖洗l h．將試樣多余水分擦去，進(jìn)行抗彎強(qiáng)度檢驗(yàn)，以10塊試樣的算術(shù)平均值數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)中可見，多孔微晶玻璃的耐酸性能和耐堿性能均不是很理想的結(jié)果，耐酸性的{zd0}抗折損失率達(dá)到了0. 304 5，耐堿性能的{zd0}抗折損失率為0. 316 54.多孔微晶玻璃的耐酸性能隨著CaO/Si02比例的曾大而變差，原因有兩點(diǎn)：一是因?yàn)楦惫杌沂哂锌谷跛嵝?，但溶于濃言酸，因此，副硅灰石體積分?jǐn)?shù)越高的試樣經(jīng)硫酸熱溶后，晶體損失量就越多，抗酸腐蝕能力就越差：二 是因?yàn)樵嚇觾?nèi)部含有大量的孔隙，使硫酸與試樣接 觸面積更大，因此，損失的副硅灰石晶體就越多，導(dǎo)致試樣的抗酸腐蝕能力就越差，多孔微晶玻璃的耐 堿性能隨著CaO/Si02比例的曾大而變強(qiáng)，因?yàn)闅溲?nbsp; 化鈉可溶解玻璃相．所以導(dǎo)致了耐堿性與耐酸性相 反的結(jié)果．隨著CaO/S102比例的曾大，多孔微晶玻璃試樣中的殘余玻璃相越來越少，試樣被輕氧化鈉腐蝕的量也相應(yīng)減少，試樣的耐堿腐蝕能力卻越強(qiáng)。
3 結(jié) 論
1)隨著CaO/Si02比例的增加，副硅灰石的長徑比逐漸減小了，對于副硅灰石晶體體積分?jǐn)?shù)而言，當(dāng)CaO/Si02比例超過一定限度時，即3#樣品中，副硅灰石晶體體積分?jǐn)?shù)是{zd0}的，從4#樣品開始晶體體積分?jǐn)?shù)開始減少，這是因?yàn)殡S著CaO/Si02比例的提高，樣品玻璃的析晶、燒結(jié)活畫能降低的原因：
1)隨著CaO/Si02比例的增加，副硅灰石的長徑比逐漸減小了，對于副硅灰石晶體體積分?jǐn)?shù)而言，當(dāng)CaO/Si02比例超過一定限度時，即3樣品中，副硅灰石晶體體積分?jǐn)?shù)是{zd0}的，從4#樣品開始晶體體積分?jǐn)?shù)開始減少，這是因?yàn)殡S著CaO/Si02比例的提高，樣品玻璃的析晶、燒結(jié)活畫能降低的原因：
2)隨著CaO/Si02比例的增加，主晶相沒有發(fā)生改變：多孔微晶玻璃的抗壓強(qiáng)度隨著Ca0／Si02比例的增加，先是增加到一定值后又呈下降趨勢；在孔隙率一定的情況下，多孔微晶玻璃的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相似，也是隨著CaO/Si02比例的增加，先是增加到一定值后又呈下降趨勢。
3)多孔微晶玻璃的耐酸性能和耐堿性能均不是很理想的結(jié)果，耐酸性的{zd0}抗折損失率達(dá)到了o.3045，耐堿性能的{zd0}抗折損失率為0.316 54.
