离子交换强化瓷质砖及其扩散机理的研究

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随着我国建筑陶瓷生产量与市场需求量的逐渐攀升,发展薄型化建筑陶瓷势不可挡。建筑瓷质砖的减薄对陶瓷产业实现节能低碳、绿色发展的目标具有重要意义。然而,随着厚度的减小,生坯与成品的破碎率明显上升,满足不了工厂大规模生产及建筑物场景应用的实际要求。因此,本文采用离子交换技术,通过半径大的离子交换半径小的离子产生“挤塞效应”,增强薄型瓷质砖的强度,主要研究了影响瓷质砖强度的关键因素,并探讨了离子交换的扩散机理,主要的研究结果如下:(1)以建筑用瓷质砖为研究对象,采用含KOH添加剂的工业KNO3熔盐对瓷质砖进行离子交换强化,分析了瓷质砖交换后力学性能及微观结构的变化,探究了温度、时间及添加剂KOH含量对增强效果的影响,并结合Boltzmann-Matano的模型计算出扩散系数。结果表明:离子交换温度、时间及添加剂含量均对瓷质砖强度的变化有明显影响。当温度为450℃,交换时间达到5 h,添加剂KOH含量为0.3mol%时,瓷质砖强度达到最大值为86.53 MPa,较交换前的强度提升了50.3%,此时表面K+离子浓度与扩散深度均达到最大值,扩散系数提高到1.8×10-15m~2/s。(2)在工业KNO3熔盐中添加Cs2CO3,探究添加剂Cs2CO3对瓷质砖强度变化的影响及其最佳的工艺参数。研究发现当熔盐中不添加Cs2CO3时,交换的最佳温度、时间分别为630℃和5 h,强度值达到最大为86.25 MPa。在此条件下,当Cs2CO3添加量为6 wt%时强化效果最好,瓷质砖强度达到90.65 MPa,相较于未添加Cs2CO3交换的建筑瓷质砖强度提高4.4 MPa,此时表面的K+离子与Cs+离子浓度和最高,表面压缩应力最大。在上述熔盐体系中加入添加剂KOH,在加入量为0.7 mol%时强度达到最大值为98.13 MPa,强度进一步提升了8.3%。(3)以某公司陶瓷岩板为研究对象,探究原料组分、温度、时间及熔盐添加剂种类和含量对离子交换增强效果的影响,分析及比较其与建筑瓷质砖交换后力学性能变化,结果表明:岩板强度随温度的升高与时间的延长均呈先增加后减小的趋势,其在工业KNO3熔盐中交换的最佳温度为400℃,时间为5 h,强度达到最大值为86.35 MPa,提升幅度达到65.35%,当添加剂KOH加入0.3 mol%后,其达到最大强度时间从5 h缩短至3 h,相较于建筑瓷质砖交换温度与时间均大幅度减小,更利于降低能源损耗。经离子交换工艺强化后的瓷质砖与岩板,强度分别提升了26.9%和32.7%,其厚度分别减薄了16.28%和15.21%。
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