固相合成法制备莫来石粉体

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1、实验10固相合成法制备莫来石粉体一、实验目的1.掌握固相合成制备技术及其形成机理。2.学习并掌握体积密度和气孔率计算并掌握莫来石表征方法。二、实验原理莫来石是生产一般耐火材料广泛应用的铝硅酸盐材料，常压条件下，仅在Al2O3·SiO2，系统中才存在其稳定晶相。莫来石的化学组成范围从3Al2O3·2SiO2到接近2Al2O3·SiO2。其晶体属斜方晶系，除非在无液相的条件下烧结，通常晶体都为拉伸的针状结晶。一般来讲，莫来石是由各种天然形成的铝硅酸盐材料，诸如众所周知的硅线石、蓝晶石或红柱石是通过高温处理而生产出来的。这些矿物因产地不同，其组成也不同，其铝

2、、硅比及微量杂质含量也不同。为确保获得莫来石最佳产量进行的热处理，常常会产生大量的不均匀硅质玻璃，如加入铝矾土来提高Al2O3含量，则会混进诸如二氧化铁，氧化铁等杂质，实际上进一步改变了组分，就会极大地影响耐火度。合成莫来石的高温性能不仅要简单地寄托在组成物（整个加工阶段中非常严格的质量控制）固有的高温稳定性上，而且要在转化过程期间，能够控制结晶的生长。莫来石的耐高温及物理损坏性能和它的最初的结晶尺寸有直接关系，结晶大，会使耐火材料全部性能良好，而这也是高温处理过程的作用。晶体的增长依赖于原料的整体性、混合料的均匀性和混合料在高温下的停留时间。通过对合

3、成莫来石的微观结构及性能进行控制，由于它具有高熔点，低热膨胀性、抗蠕变、化学惰性、高温时略微提高的抗折强度及良好的介质性能，在对各种结构及电学性能有所要求的不同材料中获得广泛的应用。通过对莫来石合成工艺、方法、原料的选择等方面的控制，并借助改进其微观结构（通过改变粒度、外形、组成、基质分布、界面特征，以及其他方面来控制其微观结构或性能），可以使其性能满足所需要的标准和要求。大量的成果是用于合成高纯度莫来石，直接地应用在各种结构和电学要求的领域中。莫来石主要的合成方法有醇盐沉淀法，化学湿混法、溶胶法及烧结反应、结合反应法，莫来石可以采用工业原料合成，也可

4、以采用天然矿物原料合成，电熔法合成的莫来石晶粒发育良好呈针状或柱状解理明显，易于破碎；烧结法合成的莫来石晶粒细小，通常呈粒状，无明显解理存在，破碎比较困难；采用工业原料合成的莫来石纯度较高，而采用天然矿物原料合成的莫来石通常含有较多的杂质。为了降低莫来石的合成温度，采用如下两条途径。①采用湿化学方法。主要是Sol-Gel方法来制备颗粒尺寸更小，反应活性及混合性更好的莫来石先驱体，以实现莫来石的低温合成。主要以正硅酸乙酯和硝酸铝为起始原料，用来合成莫来石先驱体。这种双相凝胶的莫来石生成反应一般认为按以下两条途径进行：一是莫来石由无定形SiO2和过渡态Al

5、2O3之间反应进行；二是凝胶首先在1000℃生成Al-Si尖晶石香，然后在1200℃以上同无定形SiO2反应生成莫来石。②通过加入LiF、AlF3、V2O5添加剂等来实现莫来石的低温合成。虽然采用Sol-Gel法能较大程度地降低莫来石的合成温度，但是工艺参数不易控制，生产周期长，难以达到规模化生产的要求。为此，本工作仍采用传统的固相反应合成方法，固相反应是当加热到一定温度时，反应物开始呈现显著扩散作用，发生物质迁移和传递的过程，反应物之间直接进行化学反应。合成莫来石固相反应主要有一次莫来石化和二次莫来石化反应。用不同原料合成莫来石其所发生的固相反应也尽

6、不相同，如用氧化铝和高岭土作原料，固相反应主要有一次莫来石化和二次莫来石化反应。固相合成莫来石主要依靠Al2O3与SiO2之间的固相反应来完成，提高原料的细分散度，将会加速固相反应的进程，改善烧结特性。因为，粉体在粉碎与研磨过程中消耗的机械能，以表面能的形成储存在粉体中，使粉状物料与同质量的块体材料相比具有极大的比表面积，相应地粉料也具有很高的比表面积的过剩能量；此外，粉碎和研磨也会导入晶格缺陷，使得粉体具有较高的活性；随着粉料的颗粒尺寸的减小，键强分布曲线变平，弱键比例增加，反应和扩散能力增强。因此，烧结使用的粉末颗粒具有非常大的表面能量和反应活性。

7、本实验以廉价的α-Al2O3和硅灰为起始原料，通过加入V2O5、CaF2、MgF2等添加剂来实现固相合成莫来石，考察这些添加剂和工艺条件对莫来石合成的影响，并进一步探讨莫来石的形成机理。三、实验设备及材料1.实验设备：有机玻璃球，研钵，电动搅拌机，鼓风干燥箱，数显恒温水浴锅，高温煅烧炉，X射线衍射仪，扫描电子显微镜，电子天平，透射电镜。2.实验材料：α-Al2O3，硅灰（SiO2）,无水乙醇，，五氧化二钒，氟化镁，氟化钙。四、实验内容与制备（一）莫来石粉体的制备（1）粉体制备按Al2O3：SiO2=3：2（物质的量之比）称取一定量的α-Al2O3和硅灰

8、（SiO2），另外分别加入上述粉体质量分数2%的添加剂（V2O5，MgF2，CaF2）溶于定量