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高纯莫来石的制备方法及在耐火材料等领域的应用
来源: AnyBody | 日期: 2021-02-02 | 点击: 1204 | 打印本页 | 返回列表  


莫来石的主要成分是氧化铝和氧化硅,是铝硅酸盐的矿物统称,它是由铝硅酸盐经过高温条件形成的一种矿物,人工加热铝硅酸盐时也会形成莫来石。近年来我国不断加大煤炭资源的清洁利用,电厂发电产生的粉煤灰中也含有莫来石相,其中准格尔电厂煤粉炉粉煤灰中莫来石含量在40%左右。莫来石的化学组成为3Al2O3·2SiO2-2Al2O3·SiO2,从相图角度分析,在二元相图系统中,莫来石为唯一稳定的结晶铝硅酸盐。它的晶体结构是由硅氧四面体和铝氧四面体沿C轴无序排列组成双链,双链间由铝氧八面体连接而成,其结构中铝氧八面体在整个结构中起到了骨架支撑作用,非公度调幅的2种有序化方式又使其具有稳定的能量,因而莫来石具有非常好的化学稳定性。同时它兼具有良好的耐火度高、电绝缘性强等性质、抗化学侵蚀、抗震性好、荷重软化温度高、抗蠕变,现被广泛使用在冶金、化工、石油、电力、国防等诸多工业领域。

近年来,随着莫来石及其复合新型材料的兴起,引起了国内外研究者对莫来石材料的高度重视,本文主要对莫来石的理化性质、高纯度莫来石的制备方法以及其在耐火材料和电学领域的应用进行评述。

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1高纯度莫来石的理化性质

高纯度莫来石的理化性质如表1、表2所示。

表1莫来石的物理性质

表2莫来石主要的化学成分%

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2高纯度莫来石材料的制备方法

2.1溶胶-凝胶法(Sol-Gel法)

溶胶-凝胶法(Sol-Gel法)是以金属醇盐或无机物作为材料制备的前驱体,首先将原料混合均匀,然后进行水解、缩合化学反应,在溶液中形成稳定透明溶胶体系溶液,最后溶胶经陈化胶粒间通过缓慢聚合后,形成多维的网络结构凝胶,多维的网络结构间充满了不流动的溶剂,最终形成凝胶,再将凝胶烘干去除有机物,即可制备出无机功能材料。

罗发等人以铝粉、正硅酸乙酯(TEOS)、HCl等为原料,采用Sol-Gel法合成了莫来石陶瓷功能材料,他们研究了莫来石陶瓷材料的烧结致密度、微波介电特性、烧结助剂MgO和测试频率之间的关系。研究的结果表明,制备采用的烧结条件对莫来石陶瓷材料的致密度和介电常数影响很大,所研究的参数中热压温度对莫来石陶瓷材料烧结致密度和复介电常数的影响最大。助剂MgO的添加,使得莫来石陶瓷材料复介电常数的实部和虚部也有所升高,且其复介电常数没有明显频散效应。

何文等人研究了以TEOS和Al(NO3)3·9H2O为原料,采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)法,经溶剂置换成醇凝胶,利用CO2超临界流体对醇凝胶进行低温萃取干燥技术,制备了干凝胶超细粉,再经过1150℃高温加热处理2h,即可较容易制备出高纯度的莫来石超细粉体。制备的莫来石粉体粒径在5~15nm,它的比表面高达376m2/g,且颗粒分布均匀,呈现短针状或短柱形状。

张新涛以硝酸铝和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶(Sol-Gel法)法来制备了莫来石粉体功能材料,通过1300℃高温热处理2h,所制备的粉体莫来石材料,表现出优良的性能,如低介特性,其相对介质损耗和介电常数会随着莫来石含量的增加而增大,介质损耗将随着烧结温度的升高呈现下降趋势。

2.2水热晶化法

水热晶化法通常是在密闭的特制反应器容器中,如高压釜等特殊设备,以水溶液作为水热反应的介质,加热反应发生器,通过创造一个高压、高温的反应环境,使得一般条件很难溶或不溶的物质溶解,并且通过重结晶形成高度分散的纳米晶核,该方法称为水热晶化法。王银叶等人使用天然矿物,采用水热晶化法,合成了主晶相为莫来石的复合纳米晶材料。研究者在温度500℃~1005℃,对其复合纳米晶进行了加热处理,发现复合纳米晶具有非常良好的化学热稳定性。用TPR技术测试,结果表明复合材料对载体具有结构效应,且随晶体表面结构的不同,消耗不同的氢气。

2.3水解沉淀法

水解沉淀法是指在澄清溶液中首先加入沉淀剂得到沉淀物,然后将沉淀物高温煅烧使其分解,最终获得粉体材料。水解沉淀法分为共沉淀法和单相沉淀法。共沉淀法是将沉淀剂加入溶液中形成沉淀;后者先将沉淀剂溶于溶液中,完全溶解后再通过沉淀剂的分解改变溶液的pH值,最终形成沉淀。研究者张志杰以Al13和活化硅酸为制备原料,采用水解沉淀法首先合成了莫来石前驱体,前驱体在不到900℃温度热处理约1h,形成了莫来石晶相。水解沉淀法合成莫来石时温度较低,降低了制备难度,具有低温合成的优势。

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3莫来石的应用

3.1莫来石在耐火材料领域的应用

近年来,莫来石耐火材料发展非常迅速,随着工业技术的不断进步提高,莫来石新材料不仅满足了石油、化工等高温行业迅速增长的需求,同时也满足了高温行业技术不断进步的新要求。现在工业使用的耐火材料可由氧化硅、氧化钙、氧化铝等氧化物制备而成。莫来石作为一种高性能的耐火材料,它具有:

(1)高熔点;

(2)膨胀均匀;

(3)热震稳定性极好;

(4)荷重软化点高;

(5)高温蠕变值小;

(6)硬度大;

(7)抗化学腐蚀性好等优点。

莫来石制备的耐火新材料,目前广泛应用于马弗炉、煅烧炉、锅炉、回转窑等高温设备中。由莫来石制备耐高温设备,不仅仅耐高温,而且使用寿命长、耐腐蚀。莫来石与其他优质的材料进行优势互补,复合合成更加优良性能的耐火材料。如采用堇青石-莫来石复合合成陶瓷窑具材料,制备的材料具有热膨胀系数小、抗热震性优异、耐火度高、高温稳定性好。因此,目前国内外高档陶瓷窑具普遍使用堇青石莫来石复合材料。总之,莫来石耐火材料越来越受到人们重视,相信会出现更多性能优良的莫来石耐火材料。

3.2莫来石在电学领域的应用

现代计算机系统是由超高性能的集成电路构成,这使得低介电常数的陶瓷基片受到人们广泛地研究。低介电常数的陶瓷基片具有3个特点:

(1)能与某些金属烧结在一起;

(2)能承担高的线路密度;

(3)具有较低的膨胀系数且与硅的热膨胀系数匹配。

莫来石在电性能领域的应用就体现在其作为一种优秀的基片材料,它具有很低的介电常数,能承担高的线路密度。因此,莫来石陶瓷和莫来石质玻璃-陶瓷复合材料被用作高性能集成电路的优良功能材料。

靳正国等人,进行了莫来石陶瓷在电学领域的应用研究,随着莫来石含量的不同,介电性能和介质损耗也产生变化,复合材料中当莫来石含量w=70%~90%时,介电常数变化于6.0~7.0。新型莫来石陶瓷基板材料具有低介电常数、低热膨胀系数、良好的强度,适宜在高速集成电路微电子组装中应用。

王静制备了碳纳米管莫来石复合材料。在莫来石陶瓷材料良好性能的基础上,通过加入碳纳米管提高其强韧性,研究利用碳纳米管的特殊电学特性改性后莫来石材料的导电性质、力学、热学等性能。研究结果显示,材料的各种性能都取得了较大提高。其中导电性能提高10个数量级以上;电常数提高10~30倍,损耗提高3个数量级;断裂韧性提高达80%。这种材料兼具力学型复相材料和电学型复相材料的优点,在电子材料领域中有重大的应用前景。因此,新型莫来石陶瓷材料的研究具有十分重要的意义。

3.3莫来石在其他领域的应用

莫来石作为一种很优秀的化工材料,除了上述方面的应用研究,在其他方面也有很多的应用。如莫来石可以作为透气性陶瓷元件。这种材料机械强度大,气孔分布较均匀,透气性好。此外,莫来石复合材料可以作为催化剂载体,其具有较好的化学稳定性及耐热性能,可以负载多种催化剂。制备的催化剂可用于石油裂解、汽车尾气处理以及废水处理等方面。莫来石陶瓷合金还可用于刹车片内衬,这种材料以金属合金作为基体,其他种类陶瓷作为分散介质。由于该材料比聚合物制备的刹车材料具有较好的耐热性和耐磨性,目前在飞机和高铁系统以及汽车刹车片方面已经广泛使用。

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4结语

近年来,在研究者们的不断努力下,莫来石材料发展非常迅速,应用也更加广泛,出现了诸多综合性能优良的新型莫来石材料。目前,高温结构材料、陶瓷材料、绝热绝缘材料的研究相对较多。在电学性能和光学性能方面研究相对较少,存在问题比较多,要想未来在电学、光学等领域得到更广泛的应用,需要加大研究力度。其次,在莫来石合成方法方面,需要在材料合成机理方面更加深入地分析研究,开发出更加适合于工业化的先进方法;在理论方面需要加大莫来石材料的热力学和动力学研究;这些都有利于开发出综合性能更加优良的新材料。上述研究方向都是将来研究的重点。

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