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剛玉的概述

剛玉(corundum)即為Al2O3的晶體，剛玉材料具有優(yōu)良的高溫性能和很高的機(jī)械強(qiáng)度，因此在很多行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用。剛玉作為耐火材料在二十世紀(jì)初即開(kāi)始廣泛采用，20世紀(jì)50年代中期以后被大量地采用。

依據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，剛玉有著不同的分類(lèi)方法。按照結(jié)晶形態(tài)不同，可以分為板狀剛玉、粒狀剛玉、柱狀剛玉等;按照外觀形態(tài)的不同，可分為白剛玉、棕剛玉、黑剛玉、青剛玉、紅剛玉、白藍(lán)剛玉等。剛玉具有很高的硬度，莫氏硬度為9，是自然存在的材料中硬度僅次于金剛石的材料，因此可制備性能優(yōu)良的耐磨部件。剛玉在高溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)酸、堿、爐渣、金屬溶液都有良好地抗侵蝕性能，在化工、冶金等領(lǐng)域被廣泛采用。此外剛玉制備功能陶瓷方面也有著重要的應(yīng)用。

剛玉晶體中的氧原子和鋁原子通過(guò)共價(jià)鍵連接，由于其鍵的結(jié)構(gòu)，純的氧化鋁陶瓷燒成溫度極高，因而，一般采用引入添加劑的方法降低氧化鋁陶瓷的燒成溫度。另外，純的剛玉材料抗熱沖擊性能較差，剛玉質(zhì)窯具材料的使用壽命一般較短。

莫來(lái)石材料的概述

莫來(lái)石(mullite)是一種鋁硅酸鹽礦物，其化學(xué)式為：3Al2O3·2SiO2，天然的莫來(lái)石比較稀少，工業(yè)上使用的莫來(lái)石材料大多通過(guò)人工加熱鋁硅酸鹽礦物來(lái)合成。莫來(lái)石是Al2O3-SiO2體系中唯一穩(wěn)定的化合物，其熔點(diǎn)較高，在1800℃以下是十分穩(wěn)定，當(dāng)溫度高于1810℃時(shí)，莫來(lái)石材料會(huì)分解為剛玉和液相。莫來(lái)石材料具有密度、導(dǎo)熱率均比較低，熱膨脹系數(shù)小，高溫力學(xué)性能優(yōu)良，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特性，是一種極為優(yōu)良的耐火材料(H.S.Tripathi，1999)。在高溫環(huán)境下使用的材料應(yīng)該具有良好的高溫力學(xué)性能和良好地抗熱震性能，純的莫來(lái)石質(zhì)材料具有較高的耐火度、抗熱震性能、抗蠕變性能，荷重軟化溫度高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等性能，但是其強(qiáng)度較低，韌性尤其是常溫韌性較低，這些缺點(diǎn)限制了其在很多成河的應(yīng)用，所以莫來(lái)石材料的使用中通常會(huì)添加一些其他的原料，以達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。

莫來(lái)石材料的合成方法一般有電熔合成法和燒結(jié)合成法，通過(guò)電熔法合成的莫來(lái)石材料的晶粒良好，解理明顯，易于破碎;通過(guò)燒結(jié)法合成的莫來(lái)石材料晶粒細(xì)小，無(wú)明顯的解理，破碎比較困難(倪文，2000)。

合成所使用的原料可以選用化工原料，也可以采用天然礦物原料(C.Y.Chen，2000)。通過(guò)化工原料合成的莫來(lái)石純度會(huì)比較高，通過(guò)天然礦物原料合成的莫來(lái)石材料中會(huì)含有比較多的雜質(zhì)，但其成本會(huì)相應(yīng)有所降低。

尖晶石材料的概述

尖晶石(spinel)也稱(chēng)鎂鋁尖晶石，是一種MgO和Al2O3的二元系統(tǒng)中的一個(gè)化合物，它的化學(xué)式為MgO·Al2O3，屬于等軸晶系。尖晶石中MgO和Al2O3的含量分別為28.3%和71.7%。尖晶石在自然界中一般屬于變質(zhì)巖，為接觸變質(zhì)的產(chǎn)物，也有少數(shù)的尖晶石來(lái)自沉積巖和火成巖，但是天然的尖晶石產(chǎn)出很少，應(yīng)用于耐火材料工業(yè)中的尖晶石一般是由含MgO和Al2O3的原料人工合成的。尖晶石熔點(diǎn)很高，可達(dá)2135℃，熱膨脹系數(shù)較小，為8.9×10-6/K(20~1000℃)。尖晶石的硬度和穩(wěn)定性很高，抗堿性熔渣能力強(qiáng)，在高溫工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。相關(guān)研究表明，鎂鋁尖晶石材料與鎂鉻磚相比，主要的優(yōu)點(diǎn)有：對(duì)還原氣氛、游離的K2O/Na2O和游離的SO2/SO3和游離CO2的抗侵蝕性強(qiáng)，抗熱震穩(wěn)定性及耐磨性能也較為優(yōu)良。

合成鎂鋁尖晶石材料的原料通常采用工業(yè)氧化鋁(或特級(jí)鋁礬土礦)與輕燒氧化鎂粉(或菱鎂礦粉)，合成的方法主要有電弧爐熔制法、固相燒結(jié)法和共沉淀法，其中電弧爐熔制法和固相燒結(jié)法比較適合工業(yè)生產(chǎn)。

電熔合成法合成尖晶石材料的原料一般采用煅燒氧化鋁細(xì)粉和高純氧化鎂細(xì)粉，將兩者按照要求的配比進(jìn)行均勻混合，經(jīng)壓力機(jī)壓成坯體，然后將混合料在電弧爐中熔化，熔融的混合料在冷卻固化后破碎即可得到不同粒級(jí)的產(chǎn)品。電熔法生產(chǎn)的尖晶石性能優(yōu)良，但是因?yàn)樾枰褂酶呒兊脑希⑶液碾娏枯^大，故電熔鎂鋁尖晶石產(chǎn)品的成本較高。

固相燒結(jié)法合成鎂鋁尖晶石的工藝分一步煅燒法和兩步煅燒法。其合成的方法最開(kāi)始都是將原料磨細(xì)、混勻，然后進(jìn)行成型，在原料成型之后，如果將壓成坯體直接進(jìn)行死燒然后制成熟料的工藝為一步煅燒法工藝。該工藝生產(chǎn)的尖晶石熟料的致密性較差，這主要是因?yàn)镸gO和Al2O3進(jìn)行反應(yīng)生成尖晶石時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的體積膨脹，導(dǎo)致產(chǎn)品致密度下降，但是如果通過(guò)精選原料、控制工藝等方法，也可以得到性能比較好的產(chǎn)品。一步煅燒法合成鎂鋁尖晶石材料的成本較低。在將磨細(xì)、混勻后成坯(或成球)的原料進(jìn)行輕燒，支撐活性尖晶石粉，然后破碎、磨細(xì)、成型、再進(jìn)行死燒得到熟料，這樣的合成工藝稱(chēng)為兩步煅燒法工藝。兩步合成法合成的尖晶石純度和致密度都比較高。而且，從理論上講，重復(fù)將產(chǎn)物均勻磨細(xì)并再次進(jìn)行煅燒的次數(shù)越多，所得到的產(chǎn)物品質(zhì)越好，但是由此造成的成本提升也會(huì)越多。因此實(shí)際生產(chǎn)中大多采用兩步煅燒法。

在SiO2-Al2O3-MgO三元系統(tǒng)中，可能存在的物相主要有方石英、剛玉、莫來(lái)石、尖晶石、方鎂石等物相，該系統(tǒng)內(nèi)各組分的氧化物以及多數(shù)的二元化合物熔點(diǎn)都比較高，是制備耐火材料的優(yōu)質(zhì)原料。通過(guò)相圖可以確定合成所需物相材料的合適溫度。但是由于礦物原料中通常都會(huì)有雜質(zhì)存在，所以材料在高溫煅燒時(shí)出現(xiàn)液相的溫度會(huì)遠(yuǎn)低于理論值。由于液相的大量出現(xiàn)會(huì)影響到材料在高溫下的使用性能，如荷重軟化溫度急劇下降，使用過(guò)程中材料發(fā)生變形或坍塌等。但是，適量的液相出現(xiàn)有助于改善材料的燒結(jié)性能和機(jī)械性能，所以在配料和設(shè)計(jì)燒成制度時(shí)也會(huì)考慮這些因素。

隨著科學(xué)技術(shù)上的不斷進(jìn)步，工程應(yīng)用中對(duì)材料的性能要求日益嚴(yán)苛，單相材料越來(lái)越難以滿(mǎn)足各種復(fù)雜的性能需求，所以需要通過(guò)材料的復(fù)合達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的目的，制備出綜合性能比較優(yōu)良的雙相或者多相的復(fù)合材料。