陶瓷抛光渣烧成发泡机理及其材料制备应用研究

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陶瓷抛光渣是陶瓷生产中因切削、打磨、抛光而产生的一种固体废弃物。由于陶瓷抛光渣含有SiC(来源于磨料)等杂质,其作为陶瓷原料直接资源化利用时,在烧成中会引起陶瓷发泡、变形,其直接资源化利用长期以来一直是困扰陶瓷行业实现固废零排放生产的最关键技术难题。通常SiC表面有一层SiO2保护膜,在高温烧成时SiO2保护膜被周围的硅酸盐液相腐蚀导致SiC与周围的氧气持续不断接触、氧化而产生气体发泡。但是,陶瓷抛光渣烧成发泡机理尚未见深入、系统的研究报道。因此,本论文详细研究陶瓷抛光渣的烧成发泡机理、烧成发泡控制及其在材料制备中的应用,为陶瓷抛光渣的直接资源化利用提供理论依据和实用途径,具有十分重要的意义。由于实际的陶瓷抛光渣化学成分不稳定,本文通过陶瓷抛光渣主要的化学组分SiO2、Al2O3、MgO、Na2SiO3、SiC组合模拟陶瓷抛光渣进行了深入、系统的研究。以SiO2、Al2O3、MgO、Na2SiO3为第一层的原料,以SiO2为第二层原料,以SiC为第三层原料,构建一个三层结构样品,在1200℃不同腐蚀时间下烧成,通过三层样品之间的界面腐蚀情况详细地研究了陶瓷抛光渣烧成时硅酸盐液相对SiC表面SiO2保护层的腐蚀作用。研究结果表明:陶瓷抛光渣烧成中SiC在硅酸盐液相中的腐蚀速率在一定范围内保持动态变化,SiO2和硅酸盐液相之间的腐蚀层厚度呈现周期性的波形变化规律。在此基础上,以SiO2、Al2O3、MgO、Na2SiO3、SiC为原料,辅以碳粉、铝粉和硅粉,通过干压成型,在1100~1200℃条件下烧成,深入地研究了陶瓷抛光渣中SiC在烧成中产生的气体对其发泡的影响。研究结果表明:陶瓷抛光渣低温烧成时发泡不明显,外部的氧气扩散到硅酸盐液相中的路径长,抛光渣内SiC表面的氧气较少,SiC只能发生不完全氧化反应生成CO,CO气体量较少集聚起来难以造成抛光渣发泡;陶瓷抛光渣高温烧成时发泡现象明显,CO2气体大量产生引起抛光渣剧烈发泡。其次,以SiO2、Al2O3、MgO、Na2SiO3、SiC为原料,通过改变SiO2和Al2O3的比例,在1200℃烧成后制备了发泡陶瓷,定量研究了陶瓷抛光渣中氧化物组分及含量对其性能的影响。研究结果表明:将陶瓷抛光渣中SiO2含量控制在10wt%左右时,可以获得一种抗压强度为30.6MPa、热导率为0.43 W*m-1k-~1的高强隔热发泡陶瓷。此外,以SiO2、Al2O3、MgO、Na2SiO3、SiC为原料模拟陶瓷抛光渣,并向该组分中引入铝粉,在1200℃烧成后,定量地研究了铝粉对陶瓷抛光渣制备材料性能的影响。研究结果表明:在陶瓷抛光渣中引入5wt%铝粉可以完全抑制抛光渣在烧成中发泡,制备出一种抗弯强度为48.0±3.8MPa、抗压强度为180.5±3.5MPa的高强建筑陶瓷材料。最后,以陶瓷厂的喷雾造粒粉和陶瓷抛光渣为原料,通过凝胶注模成型,在1060℃烧成后制备了两种多孔陶瓷,分别研究了喷雾造粒粉和陶瓷抛光渣原料对多孔陶瓷吸声性能的影响。研究结果表明:用陶瓷抛光渣制备的具有连通孔结构的多孔陶瓷对200~2000Hz范围内的噪音具有良好的吸声效果,平均吸声系数约为0.3。
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