由于耐火材料具有耐高溫且在高溫環(huán)境中承受不同程度的機械應(yīng)力、應(yīng)變和機械磨損等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。耐火材料可根據(jù)化學(xué)成分(酸、堿)、制造方法(熔融、燒結(jié))、孔隙率(多孔、致密)等分為若干類，不同類型的耐火材料可根據(jù)原料的性質(zhì)和工藝流程進行制備。耐火材料的性能(耐熱、耐熱沖擊)與礦物耐火材料的質(zhì)地和豐滿度有直接關(guān)系，如莫來石、剛玉、方鎂石、白云石、尖晶石和氧化鋁等。
硅鋁耐火材料的生產(chǎn)涉及莫來石的合成。硅鋁耐火材料與其他耐火材料(特殊的碳耐火材料、氧化鋯、熔鑄耐火材料等)相比，成本較低，應(yīng)用更為廣泛。硅鋁耐火材料具有多種用途，例如，實驗室高溫爐的內(nèi)襯、耐火支架、保溫材料、工業(yè)用陶瓷和陶器、化工產(chǎn)品、造紙，食品相關(guān)行業(yè)以及其它需要耐高溫的行業(yè)。本文旨在對硅鋁耐火材料的制備工藝進行概述。
利用黏土制備硅鋁耐火材料
黏土是地殼中普遍存在的成分，是傳統(tǒng)陶瓷的原材料。當與水混合時，黏土?xí)a(chǎn)生塑性，容易成形且可再生。在加熱的時候，黏土?xí)?jīng)歷一系列的反應(yīng)，最終產(chǎn)生結(jié)晶的莫來石和富含硅的非晶相。研究人員針對黏土制備硅鋁耐火材料做了大量的研究，Kolli等人利用高嶺土制備出了耐火材料，SiO?含量為39.87%，Al?O?含量為38.36%，在1350℃下煅燒1h，高嶺土粒度分為粒徑為100~250μm的細顆粒和1000~2500μm的粗顆粒，尺寸小于75μm的粗糙高嶺土作為粘合劑。制備出的耐火材料其單軸壓力為80MPa，孔隙度約為30%，密度為2.75g/cm3，且耐火材料具有良好的抗熱沖擊性。BoiiaZiZ研究出了高嶺土磷酸混合物，磷酸分別為5%、10%和15%，在燒結(jié)過程中，磷酸與高嶺土中的氧化鋁發(fā)生反應(yīng)，形成一種新的鋁磷酸鹽。所得產(chǎn)物的斷裂強度高于僅用高嶺土制備的斷裂強度，且孔隙率隨著燒結(jié)溫度的升高和混合料中磷酸的加入而降低。當磷酸添加量為10%時，高嶺土煅燒溫度降低200℃。Li等人闡述了利用Al(OH)?和高嶺石煤矸石的原位分解成孔技術(shù)制備多孔陶瓷剛玉莫來石。隨著Al(OH)?含量的增加，試樣的孔隙率增加，結(jié)構(gòu)中存在最大直徑為1000nm的微孔。
Djangang等人已經(jīng)制備出了基于耐火黏土的復(fù)合材料。這些復(fù)合材料含有不同數(shù)量的耐火黏土(0~50%)，燒結(jié)溫度在1200~1350℃。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，大孔隙被包裹在耐火黏土和石英大顆粒附近，充分發(fā)揮了復(fù)合材料的性能。Sadik等人利用花崗巖及其圍巖(高嶺土和富砷片巖)制備了耐火材料，采用尺寸為1000~2000μm的紅柱石片巖作為骨料，可以提高合成耐火材料的力學(xué)性能和耐高溫性能。利用膨脹性珍珠巖作為添加劑產(chǎn)生氣孔制備具有可接受的撓曲強度的多孔輕質(zhì)磚。研究結(jié)果表明，該樣品在1600℃可保持其形狀不發(fā)生任何變形，膨脹珍珠巖的使用使磚的密度降低到1.55g/cm3。Ganesh等人制備了不同氧化鋁含量(47%~70%)的致密莫來石骨料，首先使用傳統(tǒng)的干粉壓技術(shù)，隨后進行煅燒，溫度從1450~1725℃，使用不同類型的黏土(球黏土，Al?O?含量34.2%;中國黏土，Al?O?含量35.16%)、沙灘砂硅灰石(BSS，Al?O?含量53.5%)和高純度的氫氧化鋁(Al?O?含量64.5%)為原料，與單級培燒相比，米用雙級熱處理工藝得到的莫來石團聚體在體積密度、表觀孔隙度、吸水能力和莫來石含量等方面具有更好的燒結(jié)性能。
利用硅線石和鋁土礦制備
Bonchetou等人研究了利用紅柱石顆粒(Al?O?含量61%)制備莫來石，并研究其多晶化和微觀結(jié)構(gòu)。研究表明，雜質(zhì)(鐵和堿)的存在會增加液相含量，多晶化動力學(xué)依賴于紅柱石晶粒尺寸、化學(xué)成分和液相含量。Santillan等人研究了磨損銑削對藍晶石分解的影響以及它與α-氧化鋁形成理論配比的莫來石的反應(yīng)。對藍晶石-氧化鋁混合料進行研磨1~12h。隨著研磨時間的增加，在廢硅和氧化鋁的反應(yīng)中，基巖分解加速，次生莫來石形成。銑削使分解膨脹從+15.0%降低到+0.1%，最終收縮率從2.5%變?yōu)?13.7%。Abou-Sekkina等人研究了基于鋁土礦的耐火澆注料的相組成。樣品由90%良好分級(粗、中、細)鋁土礦骨料、10%結(jié)合基質(zhì)和適量蒸餾水組成。XRD模型表明，在所有基于鋁土礦的可澆注樣品中，剛玉相與莫來石相同時形成。SEM顯微照片顯示了密集的顯微結(jié)構(gòu)，大量的剛玉顆粒大小相當，呈圓形和亞圓形，均勻地嵌在基體中。針狀莫來石晶體存在于結(jié)構(gòu)中。
Namiranian等人利用了不同的熱處理條件(1400~1600℃，0.5~3.5h)和不同顆粒大小的原材料(38~300μm)研究了藍晶石精礦的莫來石化過程。利用SEM和XRD觀察了微觀結(jié)構(gòu)和相位演化過程，藍晶石莫來石化發(fā)生在1500℃和1550℃之間。在溫度低于1500℃時針狀莫來石顆粒產(chǎn)生。Sardy等人通過對來自于摩洛哥的莫來石耐火材料進行研究，發(fā)現(xiàn)莫來石在1200℃開始形成，在1450℃完全形成。EbadzadehM對微波燒結(jié)的活化紅柱石的機械(Al?O?含量44.99%)性能和微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，XRD結(jié)果表明，在銑削60h后，紅柱石峰消失，氧化鋁峰出現(xiàn)。用活性紅柱石制備的莫來石樣品具有較好的致密性，呈長狀。
其它合成路線
采用先進工藝制備的莫來石粉體，如溶膠-凝膠、沉淀、水解、噴霧熱解、化學(xué)氣相沉積(CVD)等被稱為“化學(xué)莫來石”。Jing等人對多孔SiC/莫來石復(fù)合陶瓷的制備進行了研究。該產(chǎn)品由高嶺土(Al?O?含量35.97%)、氫氧化鋁、碳化硅和石墨混合而成，混合物在1250~1450℃進行煅燒，通過燃燒石墨和碳化硅顆粒產(chǎn)生氣孔。結(jié)果表明，當煅燒高嶺土與Al(OH)3的質(zhì)量比為1:1.5時，在沒有石墨的情況下，復(fù)合材料的抗彎強度和開口氣孔率分別為48.14MPa和33.97%。然而，當加入15%石墨時，在開口氣孔率為48.80%的情況下，其抗彎強度為27.26MPa。Zake-Tiluga等人通過滑模鑄造技術(shù)研制出了高孔的剛玉莫來石陶瓷，目的是通過添加不同類型的硅源(SiO?、SiC和Si?N?)來提高多孔剛玉陶瓷的力學(xué)性能，氣孔是通過氧化鋁與水的反應(yīng)形成的。研究結(jié)果表明，該材料的抗彎強度可以得到改善，并能保持較高的氣孔率。與未改性的剛玉陶瓷相比，添加3.7%SiO?使其抗彎強度提高了250%，表觀孔隙度降低了8%。如果SiO?含量從3.7%增加到7.3%，抗彎強度下降。用SiC和Si?N?納米顆粒對樣品進行改性，獲得了最佳的力學(xué)性能。
以碳化硅、氫氧化鋁、氧化鎂和石墨為原料，采用原位反應(yīng)結(jié)合技術(shù)制備了多孔碳化硅多孔陶瓷。原料以不同的比例混合，煅燒溫度在1300℃和1450℃之間，可獲得良好的機械性能。陶瓷中的氣孔是通過燃燒石墨和堆積SiC及Al(OH)?顆粒形成的。高溫下碳化硅表面氧化成二氧化硅，氫氧化鋁分解產(chǎn)生細小的氧化鋁晶粒。隨著溫度的進一步升高，SiO?與Al(OH)?和MgO發(fā)生反應(yīng)，形成堇青石。Sembiring等人研究了利用溶膠-凝膠法用稻殼二氧化硅和硝酸鋁水合物制備莫來石前驅(qū)體。FTIR結(jié)果顯示出Si-O-Si、Al-O-Al和Si-O官能團存在，XRD分析證實其與莫來石、剛玉、石英、方英石有關(guān)。結(jié)果表明，莫來石的形成始于1150℃，隨著溫度的增加，其數(shù)量迅速增加，從1150℃到1350℃，莫來石量從30.9%增加到67.7%，這一發(fā)現(xiàn)表明稻殼二氧化硅是生產(chǎn)莫來石陶瓷的一種潛在的替代原料。
另一方面，莫來石可以利用固體廢棄物合成。Vieim等人對富含硅和鋁廢物的多態(tài)動力學(xué)進行了研究。第一種為板巖廢料(Al?O?含量24.03%)，主要晶相為白云母、綠泥石和石英;第二種是鋁表面處理工業(yè)產(chǎn)生的的鋁污泥。燒結(jié)產(chǎn)品包括分散在玻璃相中的氧化鋁和莫來石，燒結(jié)溫度為1285℃，抗彎強度高于100MPa。
結(jié) 論
近幾十年來，研究人員一直致力于硅鋁耐火陶瓷的創(chuàng)新加工和性能研究，以及探索其在合適的領(lǐng)域應(yīng)用。而硅鋁耐火材料的生產(chǎn)必然要涉及到莫來石的合成。莫來石是通過在黏土中氧化硅和氧化鋁的反應(yīng)得到的，其燒結(jié)溫度范圍為1200~1400℃。利用溶膠-凝膠法可以合成莫來石，利用固體廢棄物(含鋁廢料、板巖、鋁泥、陶瓷廢料等)可以制備莫來石。以硅線石族礦物和鋁土礦為原料制備而成的硅鋁耐火材料具有耐火度高、機械強度好、耐液態(tài)氧化物和鈉腐蝕等特點。
