富氧/全氧气氛烧成陶瓷的显微结构与性能研究

摘要

富氧/全氧燃烧属于“工程热物理”领域的一项高效燃烧技术，广泛应用于高温热工设备。由于富氧/全氧燃烧能加快燃料燃烧速度，提高窑炉热效率、温度而达到“节能”的目标，因此引起国内外学者的广泛关注。陶瓷工业中利用富氧/全氧燃烧技术可以实现陶瓷生产过程的“节能减排”。国内外关于富氧/全氧燃烧对烧成试样显微结构及性能的影响鲜有研究，因此本文以K2O-Al2O3-SiO2系陶瓷为研究对象，研究富氧/全氧烧成气氛对陶瓷试样的显微结构与性能影响。
　　本实验通过改变燃料-天然气燃烧产物-CO2、H2O及N2三者之间的体积浓度百分比来模拟不同O2浓度的富氧/全氧燃烧气氛，旨在探讨研究模拟富氧气氛中O2浓度变化、工艺制度-烧结温度、保温时间对陶瓷试样的显微结构与性能影响，寻找出最优烧成制度同时达到优化试样显微结构性能和节能减排的目的。
　　本实验利用TG-DSC、XRD、SEM及FT-IR研究了陶瓷试样的显微结构，采用三点弯曲法、阿基米德原理等分析测试了陶瓷试样的性能-抗折强度、密度和耐酸性能等，同时亦从理论上分析计算了不同O2浓度烧成气氛的辐射率。
　　与普通空气（21％O2）烧成相比，富氧、全氧气氛烧成陶瓷试样的结构愈加致密继而赋予材料更高的性能。富氧气氛烧成时，O2浓度增加对于陶瓷试样晶相的形成、结构的均匀致密及性能的提高具有促进作用。
　　陶瓷组分中，Al2O3/SiO2的适当增加有利于结构的致密，本实验Al2O3含量为20.92wt%时性能达到最优，但继续增加Al2O3含量，[AlO6]基团的“阻碍”作用使得陶瓷试样的结构均匀致密度降低、强度减小。
　　陶瓷制备时，适当提高成型压力有利于陶瓷烧结体结构的致密，本实验中最佳成型压力为25 MPa，继续增大则易产生“压制裂纹”而对陶瓷烧结产生不利影响，使得试样的性能降低。陶瓷烧成时，适当提高烧结温度或延长保温时间有利于试样结构及性能的优化，但过度升高烧结温度、延长保温时间反而得不到高强度和均匀致密结构的陶瓷试样。与普通空气烧成相比，全氧气氛烧成时，陶瓷试样达到最优性能时烧结温度降低50℃或者保温时间减小15min，且最优性能有所增加。
　　综合考虑性能测试结果及氧气制备成本可知：25%O2浓度富氧气氛烧成最为经济，同时亦能获得结构致密、较优性能的陶瓷试样。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 富氧/全氧燃烧技术

1.3 富氧/全氧燃烧研究进展

1.4 气氛烧成陶瓷显微结构与性能研究现状

1.5 研究目的、意义及内容

第2章 实 验

2.1 实验流程及原料设备

2.2 K2O-Al2O3-SiO2系陶瓷制备

2.3 结构表征

2.4 性能测试

第3章 Al2O3/SiO2对陶瓷显微结构与性能的影响

3.1 坯料TG-DSC分析

3.2 Al2O3/SiO2对陶瓷试样显微结构的影响

3.3 Al2O3/SiO2对陶瓷试样性能的影响

3.4 本章小结

第4章 成型压力对K2O-Al2O3-SiO2系陶瓷显微结构和性能影响

4.1 成型压力对陶瓷显微结构的影响

4.2 成型压力变化对陶瓷性能的影响

4.3 本章小结

第5章 富氧气氛烧成K2O-Al2O3-SiO2系陶瓷试样的显微结构和性能研究

5.1 富氧气氛模拟概述

5.2 不同O2浓度富氧气氛烧成陶瓷的显微结构与性能研究

5.3 烧结制度对陶瓷试样结构性能的影响

5.4 本章小结

第6章 全氧气氛烧成K2O-Al2O3-SiO2系陶瓷的显微结构与性能研究

6.1 不同气氛烧成陶瓷的物相结构分析

6.2 全氧气氛烧成陶瓷的性能分析

6.3 烧结制度对全氧气氛烧成陶瓷的结构与性能影响

6.4 本章小结

第7章 结论

致谢

参考文献

硕士期间发表的成果