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硅线石是一种高铝矿物原料,在高温下分解产生莫来石和二氧化硅,同时伴随一定的体积膨胀,因此以硅线石为主要原料的制品或将硅线石添加到其他制品中,利用其体积膨胀效应可以有效抵消制品在高温烧成过程中产生的体积收缩,限制了局部应力,阻止和钝化了裂纹的产生,提高了制品的抗热震性,减小了机械剥落,从而提高了制品的性能,延长了制品的使用寿命。
硅线石1、蜂窝陶瓷
蜂窝陶瓷是一种结构似蜂窝形状的新型陶瓷产品,按用途可以分为催化剂载体、蓄热体、填料和过滤材料4大类,广泛应用于冶金、石化、汽车尾气净化、机械等工业中。
我国高温工业(冶金、水泥、石化、玻璃、电力等)用窑炉或锅炉存在能量利用率低,污染物排放量超标的问题。20世纪90年代,日本成功研制出“余热极限回收和低NO燃烧”的蓄热式燃烧系统。目前,该技术核心之一的蓄热式换热器普遍采用蜂窝陶瓷作为换热介质,其优点是同时具备大的换热面积和小的阻力损失。日本、美国等国家的蜂窝陶瓷的壁厚仅为0.2~0.5mm,蜂窝单元间距为1~3mm,其换热面积可以达到m2/m3以上。但我国工业窑炉所用燃料在燃烧过程中会产生大量的粉尘颗粒和焦油,易造成陶瓷孔的堵塞,导致换热器不能正常工作,因此,限制了该种蜂窝陶瓷组装的换热器在我国的使用。对此,宋希文等和胡定军等到均以莫来石、矾土、耐火粘土、硅线石、红柱石、蓝晶石为原料,采用挤压成型,研发出一种适合于我国国情的蓄热式换热器用蜂窝陶瓷。该换热器采用六边形结构,与传统的三角形和四边形结构相比,应力分布均匀,结构稳定。
陶瓷蜂窝体由于硅线石在烧结过程中不被莫来石化,硅线石颗粒和莫来石颗粒相互掺杂,因此起到了异相颗粒增韧的作用。制备的该蜂窝陶瓷经℃至水冷热震循环次数可达13次,常温耐压强度为61MPa,荷重软化开始温度为℃,耐火度为℃,已满足蓄热式换热器的要求。
汽车尾气净化催化系统主要由载体骨架、活性载体涂层以及催化剂活性组分3部分组成的三效催化剂,通常采用堇青石蜂窝陶瓷体作为载体骨架。由于汽车尾气催化净化时,载体存在着较大的温度剧变,因此要求载体的热膨胀系数尽量小,以便在长期使用过程中,陶瓷载体不开裂。沈琴娟等以顽火辉石、硅线石、石英、高岭土和绿泥石为原料,利用原位反应制备出孔/英寸堇青石蜂窝陶瓷载体。研制的蜂窝陶瓷以及国外同类产品的物理性能见表1。该蜂窝陶瓷载体涂催化剂后,应用于长城皮卡、北汽福田、吉利美日等车型,均通过了欧Ⅲ试验。
表1研制的蜂窝陶瓷载体与国外同类产品的物理性能
2、莫来石瓷
莫来石陶瓷具有熔点高、热膨胀系数低和抗蠕变性好、抗热震性好、抗腐蚀性好等特点,已在工业中获得广泛应用。
莫来石陶瓷主要是以人工合成的莫来石为原料,预先制备的莫来石熟料是采用烧结法生产的,因而采用预先制备的莫来石熟料生产莫来石陶瓷的工序复杂、能耗高(制品烧成温度为~1℃)。
对此,蒋鹏以硅线石精矿为原料,通过烧结试验探讨了用硅线石精矿制造莫来石瓷的可能性,并研究了2种粒度的硅线石对制备莫来石瓷性能的影响。结果表明:烧结体会因烧结作用导致坯体收缩,同时含有的硅线石发生莫来石化时产生约7%~8%的体积膨胀,因此烧结体最终是收缩还是膨胀是上述二者综合的作用。在该试验中,以纯硅线石为原料在适当的高温下烧结后可制的气孔率较低、强度良好的莫来石瓷。由细粒度硅线石制备的莫来石瓷的线收缩率大于由粗粒度硅线石制备的,由细粒度硅线石制备的莫来石瓷的力学性能优于由粗粒度硅线石制备的。蒋鹏等¨还研究了添加氧化铝对以硅线石为原料制备莫来石瓷性能的影响。
结果表明:在硅线石粉料中加入Al2O3,利用二次莫来石化,增加了莫来石含量,减少了玻璃相,提高了莫来石瓷℃以上的高温强度。同时由于Al2O3的引入,提高了材料的烧结温度。
硅线石3、其他应用
陶瓷棚板广泛应用于建卫陶瓷、日用陶瓷、电工陶瓷、多孔陶瓷等的烧成,现用材质主要是堇青石、莫来石、氧化铝。这类材质的棚板在高温下反复使用后,易发生变形,产生裂纹等不良情况,同时还会出现粘附现象,降低了产品质量。对此,日本的科研工作者以硅线石和莫来石为原料,研制出1种高性能陶瓷棚板。该陶瓷棚板高温下结晶形态变化小,反复加热后不变形,不产生裂纹,可直接接触各类材质的陶瓷坯体,无不良反应及粘附现象,提高了制品的质量与生产效率。该陶瓷棚板还具有优良的抗剥落性和抗热震性,使用寿命大大提高。
黑色金属液态模锻过程中,模具需承受高温、高压,普通热作模具钢制造的模具在使用过程中因高温易产生严重的氧化、浸蚀、熔蚀和热疲劳裂纹等。为此,罗守靖等以天然硅线石为原料,研制出1种用于黑色金属液态模锻的陶瓷模具,并在钢平法兰液态模锻工艺过程中进行了应用。结果表明:由于钢水和陶瓷材料基本上不浸润,确保了制件具有良好的表面质量。但该模具抗热震性较差,在使用中容易损坏,其性能和工艺条件有待进一步提高。