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和三點彎曲法等分析手段進行研究，實驗結果表明：隨著Ca0與Sio2質量比例的增加，副硅灰石晶體的長徑比逐漸減小，當Ca0與Si02質量比為18:60時，副硅灰石晶體體積分數為{zd0}：隨著CaO/Sio2質量比的增加，主晶相沒有發生改變，均為副硅灰石晶體：樣品的抗壓強度、抗折強度均隨Ca0與S102質量比的增加而增加，當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展已經受到人們的重視，特別是多孔微晶玻璃在能源、環保、化學工業和建筑等方面的應用、開發及推廣將帶來無窮的經濟效益和社會效益，多孔微晶玻璃具有耐熱、不污染、機械性能高、硬度高和可以加工成形等優點，多孔微晶玻璃是由非晶態無機材料經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構的新型材料，其性能是由微孔、晶相和玻璃相的化學組成以及它們的結構、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部的組織結構等，這些因素受基礎玻璃中各種氧化物質量分數的影響，本文以Si02 -Al203 -Ca0系統多孔微晶玻璃為基礎，研究CaO/Si02對偉晶巖多孔微晶玻璃性能的影響。

1  實驗

    實驗的主要原料有：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，偉晶石的化學成分是通過德國布魯克公司生產的X光射線熒光光譜儀(SRS-3400型)定量分析而得到的結果，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．將實驗原料按照表1的氧化物配比準確稱量混合。

    將混勻的料放入坩堝內熔制，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)和一定量的水攪拌均勻，放入模具中，在20 MPa壓力下壓制成型，放入自致的耐火磨具中加熱，進行核化和晶化，為了防止硬脂酸在坯體燒結的過程中膨脹速度過快而造成坯體開裂，應在530℃之前采用2℃/min的低升溫速率燒結，530℃以后采用7℃/min的升溫速率燒結，熱處理工藝結束后隨爐冷確便制得多孔微晶玻璃．

2  結果及討論

2.1微觀性能分析

2.1.1    CaO/S102比對多孔微晶玻璃顯微結構的

    多孔微晶玻璃的晶體形貌發生了變化：1#和2#樣品中的副硅灰石晶體規則排列，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數較少，而且排列的不規則，晶體呈短柱狀，即隨著Ca0與Sio2質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Ca0與Si02質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數是{zd0}的，從4#樣品開始晶體的體積分數開始減少，這是因為隨著Ca0與Si02質量比例的提高，樣品玻璃的析晶、燒結活畫能降低的原因．Ca0取代Si02后，增加了網絡外體量，使得玻璃網絡連接強度下降，有利于質點的移動，從而導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質量比例的繼續升高，超過一定值時，玻璃試樣燒結范圍降低，起始析晶溫度降低，晶體在較低溫度析出，導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左右都出現了較強的衍射峰，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質量比例的增加，主晶相沒有發生改變：試樣的晶體特征衍射主要表現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，在多孔微晶玻璃結構中，孔隙、晶相與殘余玻璃相比例有很大的不同，當孔隙體積比例小的時候，多孔微晶玻璃內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：當晶相的體積分數大時，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，幾乎形成連續的基體，在這種情況下，玻璃相性質將強烈影響微晶玻璃的性質．由于多孔微晶玻璃晶體通常是在沒有應力足以導致晶體定向排列的情況下，從一個均質液相中析出的，因此，它們是雜亂取向的：孔隙同樣也不是有規律的排列，只是大范圍內宏觀地呈均勻性，因此，控制好多孔微晶玻璃的各成分比例，可以得到物理化學性能良好的多孔微晶玻璃。

2.2.1抗壓強度測定

    對多孔微晶玻璃試樣的抗壓強度進行測試，采用WD4050電子{wn}試驗機測試抗壓強度，將

試件切割成直徑為(20±1)mm.高(20±1)mm的圓柱體，然后放在試驗機下壓板中新位置，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時立即停止試驗．每個組成的多孔微晶玻璃選5個試樣進行試驗。

    多孔微晶玻璃的抗壓強度是指在受到外來機械壓力作用下，整體結構被破壞時的強度，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合的網狀結構，由于副硅灰石晶相數量多、個體微小、玻璃相起到類似“膠水”的粘合作用，因此，兩者之間應有一個{zj0}比例，使試樣的抗壓強度達到理想狀態，若副硅灰石晶相比例增多，整體結構中玻璃相相應減少，對結構的粘合作用不夠，那么也會導致強度變弱：反之副硅灰石晶相比例減少，整體結構中的“框架”減少，同樣會導致試樣的強度減弱，由圖4數據可見，在孔隙率一定的情況下，多孔微晶玻璃的抗壓強度隨著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，試樣的整體結構強度逐漸增強，說明副硅灰石晶相的體積分數是增加的過程，同時氧化鈣的體積分數增多，積聚作用使殘余玻璃相網絡結構緊密，說明玻璃相強度和整體強度都得到了提高嘲，當Ca0與Si02質量比為18:60時，抗壓強度為115.34 MPa，表現為幾種不同配比中的{zd0}值：隨著Ca0與Si02質量比例繼續增加，抗壓強度呈下降趨勢，說明Ca0與Sio2的質量比例生成的副硅灰石體積分數有所減少，整體結構強度變弱，因此，試樣的抗壓強度也出現減弱的趨勢。

2.2.2抗折強度

    對多孔微晶玻璃試樣的彎曲強度進行測試，采用WD4050電子{wn}試驗機測試抗彎強度，試樣規格為厚(10±1) mm，寬(20±1) mm，長(120±2) mm.試驗時鉛淡流速為(100±20)g／s，均勻地施加壓力，直到壓力計指針倒轉時立即停止試驗，每個組成的多孔微晶玻璃選5個試樣進行試驗，多孔微晶玻璃的抗折強度與抗壓強度基本類似，是整體結構在外來機械力作用下遭到破壞時的強度    可見，在孔隙率一定的情況下，多孔微晶玻璃的抗折強度與抗壓強度相似，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．在試樣整體結構強度逐漸增強的過程中，副硅灰石晶相體積分數是增加的：當Ca0/Si02比為18 /60時，抗折強度為37. 097 MPa，表現為幾種不同配比中的{zd0}值：隨著CaO/Si02比例繼續增加，抗折強度呈下降趨勢，說明試樣中副硅灰石體積分數有所減少，試樣的抗折強度出現減弱的趨勢。

2.2.3耐酸性和耐堿性

    材料對水或其他化學試劑的抗侵蝕性，對于材料的使用具有重大意義．由于涉及的過程很復雜，因此，很多情況下，都有可能發生微晶玻璃的化學侵蝕現象，一般醉初的化學侵蝕發生在玻璃相上，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，接著硅氧結構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能力，從而消弱它的耐化學侵蝕能力。

    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，用帶有調壓器的電爐加熱溶液和試樣，控制在0.5 h內煮沸，調整電壓保持微沸狀態，1h后關閉電爐．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，進行抗彎強度檢驗，以10塊試樣的算術平均值數據作為試驗中可見，多孔微晶玻璃的耐酸性能和耐堿性能均不是很理想的結果，耐酸性的{zd0}抗折損失率達到了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：一是因為副硅灰石具有抗弱酸性，但溶于濃言酸，因此，副硅灰石體積分數越高的試樣經硫酸熱溶后，晶體損失量就越多，抗酸腐蝕能力就越差：二  是因為試樣內部含有大量的孔隙，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，因為氫氧  化鈉可溶解玻璃相．所以導致了耐堿性與耐酸性相  反的結果．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減少，試樣的耐堿腐蝕能力卻越強。

  3  結  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數而言，當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數是{zd0}的，從4#樣品開始晶體體積分數開始減少，這是因為隨著CaO/Si02比例的提高，樣品玻璃的析晶、燒結活畫能降低的原因：

    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數而言，當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數是{zd0}的，從4#樣品開始晶體體積分數開始減少，這是因為隨著CaO/Si02比例的提高，樣品玻璃的析晶、燒結活畫能降低的原因：

    2)隨著CaO/Si02比例的增加，主晶相沒有發生改變：多孔微晶玻璃的抗壓強度隨著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度與抗壓強度相似，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果，耐酸性的{zd0}抗折損失率達到了o.3045，耐堿性能的{zd0}抗折損失率為0.316 54.