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利用高炉水淬渣制备（Ca/Y）-α-Sialon陶瓷的组织与性能

作　者: 朱喆
导　师: 茹红强
学　校: 东北大学
专　业: 无机材料工程
关键词: 无机非金属材料 (Ca/Y)-α-Sialon 高炉水淬渣力学性能显微组织
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

高炉水淬渣是炼铁过程中产生的副产品,目前主要用于制造水泥、硅肥等产品。提高高炉水淬渣的附加值,是人们梦寐以求的事情。高炉水淬渣的主要成分为SiO2、Al2O3、CaO和一些含Fe杂质,是合成Sialon陶瓷的很好原料,因此有很多学者就如何利用高炉渣合成Sialon粉体进行了广泛的研究。由于制备出的Sialon粉体往往含有很多杂质,炉渣Sialon粉的烧结工艺一直是一个难题。以往的研究都是采用热压烧结或者埋粉烧结的方式,这些方法成本较高,限制了工艺的推广。本实验的研究目的是利用高炉水淬渣合成的Sialon粉体以较低的成本烧结出高性能的Sialon陶瓷。本实验以高炉水淬渣合成的Ca-a-Sialon粉体为原料,Al2O3, Y2O3为添加剂,采用无压烧结工艺制备了(Ca/Y)-α-Sialon陶瓷。研究了原料配比及烧结工艺对(Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的烧结性能、显微组织和力学性能的影响。通过X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜等分析手段,分析了(Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的物相组成、晶格常数、晶粒大小和增强、增韧的机制。XRD分析表明,烧结后样品的主相为a-Sialon相,杂质为Fe-N化合物。扫描电镜及透射电镜分析表明,含Y3+的(Ca/Y)-α-Sialon晶粒呈柱状晶,不含Y3+的Ca-a-Sialon晶粒呈等轴晶。随着Y2O3含量的增加和烧结温度的提高,(Ca/Y)-α-Sialon柱状晶粒出现粗化和等轴化。力学性能分析表明,适量添加Y2O3可以促进材料的烧结致密化并提高材料的力学性能。但过量添加Y2O3(质量百分比大于10%)时材料的致密度与力学性能会降低。确定了最佳Y2O3质量分数为10%,最佳烧结工艺1700℃×1.5h。材料的体积密度、抗弯强度、维氏硬度和断裂韧性分别达到3.32 g·cm-3、238MPa,12.5GPa和4.07MPa·m-1/2。本实验利用高炉水淬渣合成的Sialon粉体为原料烧结了(Ca/Y)-α-Sialon陶瓷,烧结工艺简单,成本较低,具有较高的实用价值,为矿渣的利用提供了有价值的研究基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-26
  1.1 引言  11
  1.2 Sialon陶瓷概述  11-14
    1.2.1 α-Sialon  11-12
    1.2.2 β-Sialon  12
    1.2.3 O'-Sialon  12-13
    1.2.4 Sialon多形体  13-14
  1.3 α-Sialon陶瓷的种类、合成与烧结工艺  14-20
    1.3.1 α-Sialon陶瓷的种类  14-17
      1.3.1.1 Ca-α-Sialon陶瓷  14
      1.3.1.2 Mg-α-Sialon陶瓷  14-15
      1.3.1.3 Y-α-Sialon陶瓷  15
      1.3.1.4 稀土-α-Sialon陶瓷  15-16
      1.3.1.5 复合掺杂α-Sialon陶瓷  16-17
    1.3.2 α-Sialon陶瓷的合成方法  17-18
      1.3.2.1 高温固相反应法  17
      1.3.2.2 自蔓延反应合成法(SHS)  17-18
      1.3.2.3 碳热还原氮化合成法  18
    1.3.3 Sialon陶瓷的烧结方法  18-20
      1.3.3.1 常压烧结  18
      1.3.3.2 气压烧结  18-19
      1.3.3.3 热压烧结  19
      1.3.3.4 热等静压烧结  19
      1.3.3.5 微波烧结  19
      1.3.3.6 等离子体烧结  19-20
  1.4 高炉水淬渣的利用状况  20-24
    1.4.1 高炉水淬渣概述  20
    1.4.2 高炉渣的利用状况  20-23
      1.4.2.1 制备高强度水泥  21
      1.4.2.2 生产混凝土  21-22
      1.4.2.3 利用水淬高炉渣合成托贝莫来石  22
      1.4.2.4 利用废玻璃和高炉渣制作泡沫玻璃  22
      1.4.2.5 开发新型肥料—硅肥  22
      1.4.2.6 制备彩色砂料及矿渣多彩砖  22-23
    1.4.3 利用高炉渣合成Ca-α-Sialon的研究进展  23-24
  1.5 本论文的研究内容和意义  24-26
第2章实验过程  26-36
  2.1 实验目的  26
  2.2 实验原料  26
  2.3 实验设备  26-27
  2.4 陶瓷材料的制备  27-28
    2.4.1 原料的混合与预处理  27
    2.4.2 成型工艺  27
    2.4.3 烧结  27-28
  2.5 材料性能的测试  28-36
    2.5.1 X射线物相分析  28
    2.5.2 材料维氏硬度测试  28-29
    2.5.3 材料抗弯强度测试  29-30
    2.5.4 材料断裂韧性的测试  30-34
    2.5.5 材料相对密度及气孔率的测定  34
    2.5.6 材料显微组织观测  34-36
第3章实验结果与分析  36-65
  3.1 无压烧结(Ca/Y)-α-Sialon的机理及可能发生的反应  36-39
    3.1.1 (Ca/Y)-α-Sialon合成机理  36
    3.1.2 烧结机理  36-38
    3.1.3 原料粉体的X射线物相分析  38-39
  3.2 烧结工艺的确定  39
  3.3 (Ca/Y)-α-Sialon陶瓷致密化分析  39-42
    3.3.1 烧结助剂含量对烧结致密化的影响  40-41
    3.3.2 烧结温度对烧结致密化的影响  41-42
  3.4 (Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的物相与显微组织  42-50
    3.4.1 (Ca/Y)-α-Sialon陶瓷x射线物相分析  42-44
    3.4.2 (Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的显微组织  44-45
    3.4.3 Y_2O_3含量及烧结温度对(Ca/Y)-α-Sialon陶瓷显微组织的影响  45-46
    3.4.4 (Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的透射电镜分析与品格常数计算  46-50
  3.5 (Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的硬度分析  50-52
    3.5.1 Y_2O_3含量对材料维氏硬度的影响  52
    3.5.2 烧结温度对材料维氏硬度的影响  52
  3.6 (Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的抗弯强度分析  52-55
    3.6.1 烧结温度对抗弯强度的影响  53-54
    3.6.2 成分对抗弯强度的影响  54-55
  3.7 (Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的断裂韧性分析  55-63
    3.7.1 (Ca/Y)-α-sialon陶瓷的压痕公式的确定  56-58
    3.7.2 不同温度与Y_2O_3含量下(Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的断裂韧性  58
    3.7.3 影响(Ca/Y)-α-Sialon陶瓷断裂韧性的因素  58-63
      3.7.3.1 材料的断裂方式  58-60
      3.7.3.2 陶瓷的颗粒尺寸与形态  60-61
      3.7.3.3 材料的致密度  61-63
  3.8 (Ca/Y)-α-Sialon陶瓷的抗冲刷性能  63-65
第4章结论  65-66
参考文献  66-71
致谢  71-72
攻读学位期间发表的论文情况  72

利用高炉水淬渣制备（Ca/Y）-α-Sialon陶瓷的组织与性能

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