堇青石—氧化铝换热陶瓷组成、结构和热学性能的研究

摘要

无机非金属陶瓷换热器具有成本低、耐高温、化学稳定性强、使用寿命长和热膨胀系数低等优点，广泛应用于社会工业生产的各个领域。但陶瓷换热器抗热震性能和导热性能方面不及金属换热器，限制了其进一步推广使用。
　　 氧化铝陶瓷具有一系列优异性能，但抗热震性能较差限制了其在换热器领域的应用。本文针对这一问题，在有关项目的基础上，采用工业原料注浆成型，烧结制备了堇青石-氧化铝换热陶瓷，借助X射线衍射技术、扫描电子显微镜、激光热常数技术、抗热震性能测试等手段研究分析了配方组成和烧结助剂对堇青石-氧化铝换热陶瓷主晶相、断口微观形貌、常温热导率和抗热震性能的影响。
　　 研究了堇青石对换热陶瓷微观结构和性能的影响。结果表明，随着堇青石含量在10 wt％～50 wt％范围内增加，陶瓷热导率逐渐下降，抗热震性能先增强后减弱。当堇青石含量为30 wt％时，1350℃烧结的陶瓷抗热震性能最好，热震循环次数达到12次，常温热导率为9.385 W·m-1K-1；相对密度和抗折强度逐渐下降，气孔率逐渐升高；XRD图谱显示堇青石逐渐增加，氧化铝逐渐减少，出现少量莫来石晶相；陶瓷断口呈板状结构，晶界不明显，有圆形颗粒堇青石晶粒分布其间；堇青石含量的增加不利于陶瓷的烧结致密化。
　　 研究了在烧结助剂MgO+TiO2总含量为3 wt％不变的情况下，MgO-TiO2烧结助剂对换热陶瓷微观结构和性能的影响。结果表明，随着TiO2/MgO的提高，1350℃烧结的换热陶瓷热导率先增加后减小，抗热震性能先增强后减弱，当烧结温度为1350℃，TiO2/MgO=0.5时达到最大值12.624 W·m-1K-1，热震循环次数达到18次：1250℃和1300℃烧结的换热陶瓷的常温热导率逐渐提高。随着TiO2/MgO的提高，1250℃和1300℃烧结陶瓷XRD图谱中，堇青石逐渐减少，莫来石逐渐增加，氧化铝基本不变：1350℃烧结的换热陶瓷XRD图谱中，堇青石完全消失，莫来石和氧化铝基本不变。陶瓷断口呈板状晶体，晶界不明显，有长杆状莫来石晶体析出。