莫(mo)來(lai)石是Al2O 3和(he)SiO 2組成(cheng)(cheng)的(de)(de)二元固(gu)溶體(ti)(ti)化(hua)合物(wu), 是二元相圖(tu)中最穩定(ding)(ding)的(de)(de)化(hua)合物(wu)。圖(tu)1為AI2O 3-SiO 2的(de)(de)二元相 圖(tu), 經過對莫(mo)來(lai)石化(hua)學成(cheng)(cheng)分的(de)(de)研究, 發現其成(cheng)(cheng)分不僅僅為3Al2O 3·2SiO 2一種結構, 根據其通式A I 2(Al 2+2xSi 2-2x) O 10-x可(ke)知,隨(sui)x值(zhi)的(de)(de)改變(bian)莫(mo)來(lai)石組分會相應發生(sheng)(sheng)(sheng)變(bian)化(hua),形(xing)成(cheng)(cheng)富硅或富鋁的(de)(de)莫(mo)來(lai)石。圖(tu)2為莫(mo)來(lai)石晶體(ti)(ti)結構示意圖(tu),可(ke)見, 沿c軸(zhou)方向(xiang)由AIO 6八面(mian)體(ti)(ti)共(gong)邊組成(cheng)(cheng), 同時與SiO 4四(si)面(mian)體(ti)(ti)和(he)AIO 4四(si)面(mian)體(ti)(ti)共(gong)頂交聯, 因此(ci), 沿c軸(zhou)方向(xiang)莫(mo)來(lai)石晶體(ti)(ti)的(de)(de) 生(sheng)(sheng)(sheng)長速率(lv)較快(kuai),在沒收到(dao)什(shen)么外部阻力的(de)(de)情況下,易發生(sheng)(sheng)(sheng)明(ming)顯的(de)(de)異向(xiang)生(sheng)(sheng)(sheng)長。莫(mo)來(lai)石具有(you)抗熱震性(xing)能好、高(gao)溫(wen)蠕變(bian)小、高(gao)溫(wen)性(xing)能損失小,化(hua)學性(xing)質穩定(ding)(ding)等優良性(xing)質。
氧(yang)(yang)化鋁和二氧(yang)(yang)化硅的二元相圖
1、莫來石的燒結性
由于莫(mo)(mo)(mo)來(lai)石(shi)(shi)晶格中Al3+和(he)Si4+的(de)(de)互擴散(san)(san)速率(lv)小,因(yin)此(ci)以(yi)莫(mo)(mo)(mo)來(lai)石(shi)(shi)粉(fen)為原料(liao),采用電熔法和(he)燒結(jie)法得到的(de)(de)莫(mo)(mo)(mo)來(lai)石(shi)(shi)燒結(jie)性很差。為獲得性能(neng)優良的(de)(de)莫(mo)(mo)(mo)來(lai)石(shi)(shi),其(qi)煅燒溫(wen)度約(yue)1700℃,如此(ci)高的(de)(de)燒成溫(wen)度使生(sheng)產成本大(da)大(da)增加(jia)(jia),因(yin)此(ci)人們(men)紛(fen)紛(fen)通(tong)(tong)過細化(hua)加(jia)(jia)入的(de)(de)原料(liao)或引入燒結(jie)助劑這兩種方式(shi)(shi)來(lai)降(jiang)(jiang)低其(qi)燒成溫(wen)度,但通(tong)(tong)過細化(hua)原料(liao)的(de)(de)方式(shi)(shi)來(lai)提高其(qi)燒結(jie)性能(neng)有限,于是主要引入燒結(jie)助劑(TiO 2、Y 203、MnO等) , 通(tong)(tong)過置換莫(mo)(mo)(mo)來(lai)石(shi)(shi)固溶體中的(de)(de)Al 3+造成莫(mo)(mo)(mo)來(lai)石(shi)(shi)晶體發生(sheng)晶格畸變, 活化(hua)晶格或形成低溫(wen)液相(xiang)的(de)(de)方式(shi)(shi)來(lai)提高擴散(san)(san)系數(shu),降(jiang)(jiang)低莫(mo)(mo)(mo)來(lai)石(shi)(shi)的(de)(de)燒結(jie)溫(wen)度。
2、莫來石的應用
莫來石(shi)是(shi)一種(zhong)性能優良的耐火原料。除此之外,莫來石(shi)還(huan)是(shi)一種(zhong)高溫結(jie)構材料,在其他(ta)行業也廣泛(fan)應用。
(1)莫來石耐火材料
莫(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)(shi)作為(wei)一種性(xing)能優異的耐火材(cai)料(liao),具有熔(rong)點高(gao)、高(gao)溫(wen)強度(du)大(da)、熱(re)(re)(re)膨(peng)脹系數(shu)低、抗(kang)(kang)熱(re)(re)(re)震性(xing)優良(liang)等(deng)(deng),使其成(cheng)為(wei)許多(duo)工(gong)業(ye)領域(yu)(yu)(yu)的耐火材(cai)料(liao)。作為(wei)骨料(liao)的莫(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)(shi),被廣(guang)泛(fan)應用(yong)于冶(ye)金(jin)、玻(bo)璃(li)(li)(li)、陶(tao)瓷(ci)等(deng)(deng)領域(yu)(yu)(yu)。在(zai)(zai)冶(ye)金(jin)工(gong)業(ye),莫(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)(shi)可(ke)(ke)用(yong)于熱(re)(re)(re)風爐(lu)磚或窯具磚;在(zai)(zai)玻(bo)璃(li)(li)(li)工(gong)業(ye),莫(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)(shi)可(ke)(ke)用(yong)在(zai)(zai)玻(bo)璃(li)(li)(li)容器(qi)(qi)、給水器(qi)(qi)及玻(bo)璃(li)(li)(li)窯的頂部等(deng)(deng)結(jie)構(gou);在(zai)(zai)陶(tao)瓷(ci)領域(yu)(yu)(yu),莫(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)(shi)可(ke)(ke)用(yong)于高(gao)溫(wen)結(jie)構(gou)陶(tao)瓷(ci);在(zai)(zai)燃氣(qi)工(gong)業(ye),莫(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)(shi)可(ke)(ke)用(yong)在(zai)(zai)油氣(qi)化設備(bei)及所(suo)有氣(qi)化車間煉(lian)焦爐(lu)、燃氣(qi)發生器(qi)(qi)中(zhong)。莫(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)(shi)磚可(ke)(ke)作為(wei)熔(rong)爐(lu)窯、鼓風爐(lu)、以及連續(xu)澆鑄爐(lu)上部分內襯(chen)的主要組成(cheng)。在(zai)(zai)日本, 利用(yong)熔(rong)渣制成(cheng)的墊(dian)板(ban)被應用(yong)于窯爐(lu)內襯(chen), 這種ZrO 2/AI2O 3/莫(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)(shi)熔(rong)渣ZrO 2含3~6wt%, SiO 2<20wt%, 且具有優良(liang)的抗(kang)(kang)腐蝕性(xing)和(he)抗(kang)(kang)熱(re)(re)(re)震性(xing)。
(2)莫來石涂層
許(xu)多陶瓷、金(jin)屬(shu)材(cai)料,長期處于高溫、還原、氧化(hua)(hua)(hua)等環境中會發(fa)生損壞。這類問題(ti)可通過(guo)在材(cai)料表面(mian)涂一層(ceng)在使用環境中能夠保持穩定的化(hua)(hua)(hua)合(he)(he)物涂層(ceng)材(cai)料來解決。莫來石的化(hua)(hua)(hua)學性質(zhi)穩定性,抗腐蝕性好,優異的性能使其廣泛應用在化(hua)(hua)(hua)合(he)(he)物涂層(ceng)等方面(mian)。
(3)莫(mo)來石(shi)復合材料(liao)
由于莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)具(ju)有(you)優異的(de)(de)高溫(wen)力(li)學性(xing)能、化學穩定(ding)性(xing)、抗蠕變性(xing)、抗熱(re)震穩定(ding)性(xing)、熱(re)膨(peng)脹系(xi)數低等,廣泛(fan)在(zai)高溫(wen)熱(re)材料(liao)領域應用。但是莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)沒有(you)位錯滑(hua)移系(xi)統,當外加載荷超過一定(ding)限度時,內部會產生較(jiao)多微裂紋(wen)消(xiao)耗(hao)能量,使(shi)莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)陶瓷發生災難(nan)性(xing)破壞(huai),所以如何增韌莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)材料(liao)成為近年來(lai)(lai)研(yan)究的(de)(de)熱(re)點。國內外研(yan)究人員關于莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)復合材料(liao)進行了(le)大量研(yan)究,并在(zai)莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)增韌領域取得了(le)一定(ding)的(de)(de)成果。莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)復合材料(liao)包括(kuo)莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)基(ji)體、莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)纖維(wei)等。莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)復合材料(liao)可降(jiang)低莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)材料(liao)體系(xi)固有(you)脆性(xing), 提(ti)高其強度和韌性(xing)。經過多年努(nu)力(li), 通過顆粒增強(SiC、ZrO 2) 或(huo)片(pian)狀來(lai)(lai)提(ti)高莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)基(ji)復相材料(liao)的(de)(de)熱(re)力(li)學行為,并在(zai)莫(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)來(lai)(lai)石(shi)(shi)(shi)增韌方面取得了(le)一定(ding)的(de)(de)進展。