硅镁系固体废弃物合成MgAlON/SiAlON复合材料研究

摘要

我国是世界上硼资源较丰富的国家之一，主要分布在辽宁、青海、西藏等地，其中辽宁省硼资源占全国硼资源储量的64％，以硼镁矿和硼铁矿形式存在。硼镁矿主要用作生产硼砂和硼酸的原料，该过程中产生大量的硼泥废渣;硼铁矿是一种含铁、硼、镁、等多元素共生矿，经过磁-重联合选矿后的会产生大量的尾矿。硼泥和硼铁矿选矿尾矿的主要成分均是MgO和SiO2，属于典型的硅镁系固体废弃物。目前硼泥与尾矿均未得到有效利用，它们的大量堆存已对环境造成了严重的影响，因此，硼泥和尾矿的综合利用亟待深入研究。
　　本文首次提出以硼泥和硼铁矿选矿尾矿为原料制备MgAlON/SiAlON新型复合陶瓷的设想，成功制备了MgAlON/SiAlON复合陶瓷，为工业固体废弃物整体增值利用提出了新的有效途径。主要研究硼泥和硼铁矿选矿尾矿碳热还原氮化合成MgAlON/SiAlON基复合粉体的工艺研究;复合粉体作为起始原料用于制备MgAlON/SiAlON复合陶瓷及其性能。本文无论在原料的选取方面还是在制备MgAlON/SiAlON复合陶瓷的方面，都是新的课题，其研究结果具备较重要的学术价值和实际应用前景。
　　首先分析了MgAlON和SiAlON合成的热力学条件及相平衡关系，研究了配碳量、合成温度、恒温时间、N2气流量对MgAlON/SiAlON复合粉体合成过程的影响。结果表明，随着配碳量的增加，MgAlON不断被分解，SiAlON相增加，但碳量过多时，SiAlON相也被分解;提高合成温度和恒温时间有利于MgAlON/SiAlON的生成。合成过程中CO、SiO等气相产物随着气体流动N2逸出，造成较大的质量损失。随着合成温度、恒温时间和N2的流量的增加，质量损失相应的加剧。综合考虑，利用硼铁矿选矿尾矿合成MgAlON/SiAlON复合粉体的最佳合成条件为:配碳量为理论配碳量的1.2倍、1450～1500℃恒温4h、N2流量400ml/min。利用硼泥合成MgAlON/SiAlON复合粉体的最佳合成条件为:配碳量为理论配碳量的1.5倍、Si/Al为理论配比、1500℃恒温6h、N2流量400ml/min。
　　其次，以合成的MgAlON/SiAlON复合粉体为原料，在N2气氛下常压烧结制备出了MgAlON/SiAlON复合陶瓷。研究了添加剂对材料致密化的影响;烧结温度对材料相组成和显微结构的影响以及材料的结构性能、力学性能和抗氧化性能。结果表明，烧结助剂Y2O3的效果最好，添加量为1％。材料结构性能和力学性能随着烧结的温度升高而增加。1600℃时材料的体积密度为3.44 g/cm3、显气孔率为2.92％、线收缩率为12.00％、失重率为10.38％、维氏硬度为16.62 GPa、抗折强度为171MPa。此温度下，MgAlON/SiAlON材料的晶粒发育完全，呈片状和柱状晶相结合。在空气中材料于1000℃时开始氧化，1200℃后氧化增重有所增加。1200℃～1300℃氧化时，材料表面形成较致密的“氧化膜”，从而抑制了氧化反应的进行。1000℃～1300℃时材料的氧化过程遵循抛物线规律:(Δm/S)2=kt+C，其表观活化能为1.598×105J/mol。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 硼铁矿尾矿研究现状

1．2．1 硼铁矿选矿尾矿的来源及特征

1．2．2 尾矿的综合利用

1．3 硼泥的研究现状

1．3．1 硼泥的来源与特性

1．3．2 硼泥的综合利用

1．4 MgAlON材料的研究现状

1．4．1 MgAlON的合成方法

1．4．2 MgAlON陶瓷复合材料

1．4．3 AlON的应用

1．5 SiAlON的研究现状

1．5．1 SiAlON的合成方法

1．5．2 SiAlON的应用

1．5．3 SiAlON烧结方法

1．6 本课题的提出背景及研究意义

1．6．1 课题的提出及研究意义

1．6．2 主要研究内容

第2章 利用硼铁矿选矿尾矿制备MgAlON／SiAlON复合粉体

2．1 引言

2．2 工艺流程

2．2．1 原料及其处理

2．2．2 配料

2．2．3 混料与干燥

2．2．4 模压成型

2．2．5 高温烧结

2．3 分析与检测

2．4 热力学分析

2．5 配碳量对合成过程的影响

2．6 合成温度的影响

2．6．1 合成温度对产物相组成的影响

2．6．2 合成温度对产物显微形貌的影响

2．6．3 合成温度对质量损失的影响

2．7 恒温时间的影响

2．7．1 恒温时间对产物组成的影响

2．7．2 恒温时间对质量损失的影响

2．8 N2流量对合成过程的影响

2．9 小结

第3章 MgAlON／SiAlON复合陶瓷的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 制备工艺研究

3．2．1 制备工艺流程

3．2．2 原料

3．2．3 实验过程

3．2．4 烧结温度的确定

3．2．5 添加剂及埋粉的选择

3．3 材料的表征分析与性能测试方法

3．3．1 X射线物相分析

3．3．2 材料显微组织观测

3．3．3 材料体积密度及显气孔率的测定

3．3．4 材料显微维氏硬度测试

3．3．5 材料抗折强度测试

3．3．6 材料抗空气氧化实验

3．4 材料的表征分析

3．4．1 XRD表征与分析

3．4．2 SEM表征与分析

3．5 材料的结构性能和机械性能

3．5．1 烧结温度对材料致密化的影响

3．5．2 烧结温度对材料线收缩率的影响

3．5．3 烧结温度对材料失重率的影响

3．5．4 烧结温度对合成材料的力学性能影响

3．5．5 合成材料断口形貌

3．6 材料的抗空气氧化性能

3．6．1 氧化过程及表征分析

3．6．2 氧化过程的动力学研究

3．7 小结

第4章 利用硼泥制备MgAlON／SiAlON复合粉体及复合陶瓷

4．1 引言

4．2 工艺流程

4．2．1 原料及其处理

4．2．2 配料

4．2．3 试样的制备过程

4．3 分析与检测

4．4 热力学分析

4．5 配碳量对合成过程的影响

4．6 Si／Al比对合成过程的影响

4．7 合成温度的影响

4．8 恒温时间的影响

4．8．1 恒温时间对产物组成的影响

4．8．2 恒温时间对质量损失的影响

4．9 N2流量对合成过程的影响

4．10 利用硼泥制备MgAlON／SiAlON复合材料的性能

4．10．1 硼泥制备MgAlON／SiAlON材料的XRD图谱

4．10．2 硼泥制备MgAlON／SiAlON材料的SEM图谱

4．10．3 MgAlON／SiAlON材料的结构性能和力学性能

4．11 小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间研究成果和发表的论文