活性氧化铝与硅微粉对莫来石质隔热耐火材料性能的影响

本文采用铝酸钙水泥为结合剂，分析其对莫来石微球质轻质耐火材料性能的影响。

1、实验配方

以莫来石微球3#为骨料，以铝酸钙水泥作为结合剂，研究μf-SiO2和活性α-Al2O3微粉含量对莫来石微球质隔热耐火材料性能的影响。μf-SiO2与活性α-Al2O3微粉均为外加。在试验时，有一组只加了活性α-Al2O3微粉，未添加μf-SiO2;另一组则既加了活性α-Al2O3微粉又加入了μf-SiO2。两者含量比例按照莫来石(3Al2O3·2SiO2)的配比进行计算。按表1配方浇注成型(加水量为8%，搅拌时间约3min)，25℃养护24h，经110℃干燥24h，经1450℃×3h烧成处理，自然冷却后对试样进行性能检测。

2、实验结果与分析

2.1常温物理性能

图1为μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉对试样烧后线变化率的影响。由图1可知，在未添加μf-SiO2时，试样的烧后线收缩率随活性α-Al2O3微粉的增加逐渐增加，且活性α-Al2O3微粉对试样烧后线收缩率影响显著，当活性α-Al2O3添加量从4wt%增加到10wt%时，试样的收缩率从0.06%提高到0.45%，这是由于添加活性α-Al2O3微粉后，烧结过程中细粉发生了烧结，产生体积收缩，造成试样烧后线收缩率增大。另外当试样中引入μf-SiO2后，试样烧后由收缩转变为膨胀，这是由于添加μf-SiO2后，试样在烧结过程中发生式(4-1)所示的原位生成莫来石化反应，产生体积膨胀，造成试样烧后膨胀。随着μf-SiO2的添加量的增多，试样烧后线收缩率呈现出逐渐增加，这是由于细粉含量增多，填充于气孔中，烧结时烧结产生的收缩大于原位反应引起体积膨胀。

图1α-Al2O3与μf-SiO2含量对试样烧后线变化率的影响

图2示出了μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉含量对试样体积密度与显气孔率的影响。

图2α-Al2O3与μf-SiO2含量对试样显气孔率及体积密度的影响

从图2中可知，未添加μf-SiO2时，随活性α-Al2O3微粉添加量增加，试样的显气孔率缓慢下降，体积密度逐渐增加。当活性α-Al2O3微粉添加量为4wt%时，试样的显气孔率为40.6%，体积密度为1.73g/cm3;当活性α-Al2O3微粉添加量为10wt%时，试样的显气孔率为39.6%，体积密度为1.81g/cm3。这是由于试样成型过程中，微球之间存在大量孔隙，活性α-Al2O3微粉的粒度小，填充于基质之间，使试样的显气孔率降低，体积密度增大。

随着一定比例的μf-SiO2的加入，试样的显气孔率及体积密度的变化趋势发生了相应变化。当活性α-Al2O3微粉的含量为小于6wt%时，随着活性α-Al2O3微粉含量的增加，试样的显气孔率逐渐增加，体积密度逐渐降低;当活性α-Al2O3微粉的含量为大于6wt%时，随着活性α-Al2O3微粉含量的增加，试样的显气孔率逐渐降低，体积密度逐渐增大。当活性α-Al2O3微粉的添加量为6wt%时，试样的显气孔率最大，为40.9%，此时试样的体积密度最小，为1.72g/cm3。

这是由于未添加μf-SiO2时，试样中活性α-Al2O3微粉只是起简单的填充和促进烧结作用，而添加μf-SiO2后，α-Al2O3和μf-SiO2在原位发生了莫来石化反应，生成的莫来石晶体支撑于骨料之间，同时消耗细粉，使试样的体积密度减小，显气孔率增大;当μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉添加量大于6wt%时，原位莫来石化反应达到饱和值，多余的μf-SiO2与活性α-Al2O3微粉填充于骨料和莫来石晶体之间，导致试样的体积密度增大，显气孔率降低。由图2可知，当活性α-Al2O3微粉的添加量为6wt%，同时添加相应配比的μf-SiO2时，试样的显气孔率最大，最适于制备隔热耐火材料。

图3示出了μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉添加量对试样常温抗折强度及耐压强度的影响。

图3α-Al2O3与μf-SiO2含量对试样常温抗折及耐压强度的影响

由图3可知，当未添加μf-SiO2时，试样的常温抗折强度随活性α-Al2O3微粉添加量的增多逐渐增大，当活性α-Al2O3微粉的添加量为4wt%时，试样的常温抗折强度为1.3MPa，当活性α-Al2O3微粉添加量增加到10wt%时，试样的常温抗折强度为2.8MPa。这是由于活性α-Al2O3微粉填充于莫来石微球之间，烧结时产生一定的结合性能，使试样的常温抗折强度增大，但增幅较小。同时，试样的常温抗压强度随活性α-Al2O3微粉添加量的增多逐渐增大，当活性α-Al2O3微粉的添加量为4wt%时，试样的常温抗压强度为5.9MPa，当活性α-Al2O3微粉添加量增加到10wt%时，试样的常温耐压强度增大到12.2MPa。这种现象是由于活性α-Al2O3微粉填充于骨料之间，分散气孔壁承受的力，提高试样的耐压强度，另外试样在烧成过程发生烧结致密化，抗压强度增大。

当试样中加入μf-SiO2后，试样的常温抗折强度相较于未添加μf-SiO2试样有所提升，当活性α-Al2O3微粉添加量为6wt%时，常温抗折强度由1.61MPa提高到2.1MPa，这是由于试样中μf-SiO2与活性α-Al2O3微粉反应生成莫来石晶体，达到自增韧效果。随着μf-SiO2的进一步增加，细粉填充于骨料之间，使试样的抗折强度增大。同时，试样的常温抗压强度随活性α-Al2O3微粉及μf-SiO2含量的增多而增大，当活性α-Al2O3微粉添加量为6wt%时，常温耐压强度为11.1MPa，这是由于球形颗粒成型过程中存在大量气孔，细粉含量增多，填充于气孔中，在烧结过程中，化合反应加强了颗粒间的结合程度。

2.2高温物理性能

图4为μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉含量对试样高温抗折强度(1300℃)的影响。

图4α-Al2O3与μf-SiO2含量对试样高温抗折强度的影响

由图4可知，当未添加μf-SiO2时，试样于1300℃保温30min后的抗折强度随活性α-Al2O3微粉含量的增多而增大，当活性α-Al2O3微粉添加量为10wt%时，此时试样的高温抗折强度为1.3MPa。这是由于此时试样的体积密度最大，试样的致密度最好，莫来石微球与基质之间的结合性能更好。当加入μf-SiO2时，1300℃下试样的抗折强度相较于未添加μf-SiO2的试样有明显提高，当活性α-Al2O3添加量为6wt%时，1300℃下未添加μf-SiO2的试样的抗折强度为1.0MPa，添加μf-SiO2的试样的抗折强度为1.5MPa，高温抗折强度提升50%。这是由于试样基质中的活性α-Al2O3微粉与μf-SiO2在1450℃烧成温度下发生原位生成莫来石反应，增强莫来石微球与基质之间的结合性能，提高试样的高温抗折强度。

2.3导热系数

图5为μf-SiO2与活性α-Al2O3微粉同时添加时，莫来石微球质隔热耐火材料在不同温度下的导热系数。

图5α-Al2O3与μf-SiO2含量对试样导热系数的影响

由图5可知，四组试样的导热系数均随测试温度的升高而增大，当μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉的添加量为4wt%时，试样300℃下导热系数为0.375W/(m·K)，600℃下为0.554W/(m·K)。这是由于温度升高时，固体分子热运动增强，同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的作用也增强，材料的导热系数增大。当μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉的含量由4wt%增加到6wt%时，试样的导热系数基本未发生改变，900℃下试样C2导热系数为0.546W/(m·K)，随着μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉添加量增加到8wt%~10wt%时，试样的导热系数随之增大，900℃下C4的导热系数为0.682W/(m·K)。这是由于加入少量μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉时，由于原位生成莫来石反应，加强了骨料与基质之间的结合程度，同时原位生成莫来石反应消耗细粉，使试样的显气孔率增大，所以当添加6wt%μf-SiO2及μf-SiO2时，试样的导热系数最小。当μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉的添加量大于8wt%时，试样内部细粉填充于气孔之中，试样内部的结合程度增加，试样更加致密化，所以导热系数增大。

2.4物相组成与显微结构

(1)物相分析

图6为μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉含量对试样物相组成的影响。

图6α-Al2O3及μf-SiO2含量对试样物相组成的影响

由图6可知，各试样的主晶相均为莫来石，随着μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉添加量的增多，试样中莫来石的衍射峰略微降低。这是由于试样中主要成分为莫来石微球，莫来石微球的主要物相为莫来石，添加的μf-SiO2与活性α-Al2O3微粉含量较少，试样中原位生成莫来石反应生成的莫来石量较少，1450℃烧成温度下晶粒未完全发育，对莫来石衍射峰的影响较小。同时试样中未反应的μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉对衍射峰产生抑制作用，莫来石衍射峰略微降低。

(2)显微形貌分析

图7示出了μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉含量对试样放大100倍显微结构的影响，其中C1、C2、C3、C4分别表示活性α-Al2O3微粉添加量为4wt%、6wt%、8wt%、10wt%试样的显微结构。从图7可知，莫来石微球截面接近圆形，莫来石微球的球形度高，同时微球内部含有大量闭口气孔;莫来石微球之间含有大量孔隙。由图7C1可知，当添加4wt%活性α-Al2O3微粉与μf-SiO2时，试样内部颗粒之间的连接很少，截面图内颗粒与颗粒之间无连接，说明骨料之间以点接触为主，结合性能较差;由图7C2可知，当添加6wt%活性α-Al2O3微粉与μf-SiO2时，试样内部颗粒与颗粒之间的接触面积更多，形成网状结构，试样结合性能有所提高;由图7C3可知，当添加8wt%活性α-Al2O3微粉与μf-SiO2时，试样内部颗粒与颗粒之间结合良好，出现较多的基质相，使基质部分的孔隙率明显减少;由图7C4可知，当添加10wt%活性α-Al2O3微粉与μf-SiO2时，试样骨料与基质之间结合紧密，但是基质之间的孔隙变小变密，试样孔隙率明显降低。这是由于当添加少量活性α-Al2O3微粉与μf-SiO2时，试样在高温下发生原位生成莫来石反应，加强了颗粒之间的结合程度，但是添加过多的细粉则会填充于骨料与骨料之间的孔隙中，降低试样的气孔率。

图7α-Al2O3及μf-SiO2含量对试样显微结构的影响

以铝酸钙水泥作为结合剂时，同时添加μf-SiO2与活性α-Al2O3微粉作为细粉，试样的性能更佳。当铝酸钙水泥的添加量为5wt%、μf-SiO2及活性α-Al2O3微粉添加量为6wt%时，试样的综合性能表现佳，此时，试样的烧后线收缩率为0.07%，体积密度为1.72g/cm3，显气孔率为40.9%，常温抗折强度为2.1MPa，常温耐压强度为2.1MPa，高温抗折强度为1.5MPa，导热系数为0.546W/(m·K)。

文章第一作者：易萍、赵惠忠、赵鹏达（武汉科技大学）