Al_(2)O_(3)/SiO_(2)/ZrO_(2)三元复合气凝胶材料的制备及性能研究

以六水合氯化铝(AlCl_(3)·6H_(2)O)、正硅酸乙酯(TEOS)和八水合氧氯化锆(ZrOCl_(2)·8H_(2)O)为混合前驱体,以环氧丙烷(PO)作为凝胶网络诱导剂,乙醇和水作为溶剂,采用溶胶-凝胶工艺和二氧化碳超临界干燥技术制备出了Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-ZrO_(2)三元复合气凝胶。研究了不同PO添加量、醇水体积比和Al/Si/Zr摩尔比对其性能和结构的影响,采用扫描电镜、比表面积分析仪和多功能粉体物理特性测试仪对气凝胶的凝胶形态、微观形貌及孔结构进行表征。结果表明:当PO添加量为88mL,醇水体积比为8∶9,Al/Si/Zr摩尔比为12∶3∶1和12∶4∶1时制备出的气凝胶结构性能良好,且凝胶时间在较合适的范围内,具有较低的密度为0.125g/cm^(3)和0.143g/cm^(3),较高的比表面积为683.14m^(2)/g和684.56m^(2)/g。

织构化多孔Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合陶瓷片-球混合浆料特性及光强分布仿真

陶瓷光固化技术在制备Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合陶瓷方面具有广阔前景,织构化的Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合陶瓷在陶瓷光固化增材制备方面亟待研究。本工作研究了添加片状氧化铝、等轴氧化铝、球形二氧化硅的片-球混合陶瓷光固化浆料的特性。针对不同固相配比,研究了浆料的黏度、沉降性、固化特性和固化精度,并针对所研究的片-球混合浆料开发了一种紫外光强分布模拟算法,对浆料在曝光中的光强分布进行了理论模拟分析,最终成功制备了具有片状氧化铝定向特征的织构化多孔Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合陶瓷。研究结果表明,片状氧化铝与球状粉体组合可以使浆料在高固相含量(总固相体积分数40%~45%,片状氧化铝体积分数占50%~60%)下保持低黏度和剪切稀释性。在相同总固相含量下,增大片状氧化铝或球形二氧化硅的含量能够减小浆料的黏度,从而提高浆料的沉降率。片状氧化铝相比于等轴氧化铝可以减少浆料对紫外光的阻挡和散射作用。在相同曝光能量条件下,降低等轴氧化铝、增加球形二氧化硅的含量可以增加的浆料固化厚度;而增加片状氧化铝和球形二氧化硅的含量会扩大尺寸误差。理论模拟结果表明,接近水平分布的片状氧化铝对光的阻挡和偏转作用弱,接近垂直分布的片状氧化铝对紫外光具有引导作用。模型上边界紫外光强平均值的变化与固化厚度测量值的变化接近,所建立的模型可以为浆料固化厚度的实验测试结果提供理论支持。

二步煅烧法制备高热稳定性无定形SiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体

采用二步煅烧法制备了高热稳定性无定形SiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体。首先以十二水合硫酸铝铵和葡萄糖为原料混合煅烧制备无定形Al_(2)O_(3)前驱体,然后以正硅酸乙酯形式向无定形Al_(2)O_(3)中引入适量的SiO_(2),煅烧后即可获得具有高热稳定性的无定形SiO_(2)-Al_(2)O_(3)复合粉体。当SiO_(2)引入量为26%(质量分数)时,粉体经950℃下煅烧4 h仍为无定形结构;对前驱体进行研磨后,粉体热稳定性进一步提升,在1 020℃下煅烧4 h仍为无定形结构。研究表明,SiO_(2)引入量和前驱体混合均匀性对复合粉体的高温热稳定性有明显影响。

Al_(2)O_(3)-SiO_(2)/纤维素复合气凝胶的制备及其阻燃性能

针对纤维素气凝胶隔热性能差、易燃烧等问题,基于液氮定向冷冻及真空冷冻干燥技术,以低成本、环境友好的微晶纤维素为原材料,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶为阻燃剂,去离子水为溶剂,加入硼酸作为催化剂控制共水解进程,制备出隔热阻燃性能良好的Al_(2)O_(3)-SiO_(2)/纤维素复合气凝胶。采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、热重分析仪、锥形量热仪等研究了Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶含量对材料结构与性能的影响,并分析了复合气凝胶的阻燃机制。结果表明,随着Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶含量的增加,Al_(2)O_(3)-SiO_(2)/纤维素复合气凝胶从蜂窝状结构向多孔三维网络结构转变,孔径减小。Al_(2)O_(3)-SiO_(2)溶胶与微晶纤维素溶液体积比为2∶10时,具有最高分解温度205.21℃和最大质量保持率35.191%。点燃时间为11 s,热释放速率峰值为127.13 kW/m^(2),表现出更好的阻燃性与抑制火焰生成能力。

ZrO_(2)/P_(2)O_(5)复合晶核剂对LiO_(2)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)玻璃微晶化和力学性能影响

为提高LiO_(2)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)系玻璃的性能,采用熔融法制备了ZrO_(2)/P_(2)O_(5)复合晶核剂的LiO_(2)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)系玻璃,通过扫描电镜(SEM),差热分析(DSC),X射线衍射(XRD)等测试方法研究了不同晶核剂对LiO_(2)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)系玻璃微晶化和力学性能的影响。研究表明采用复合晶核剂玻璃可降低析晶活化能,促进晶化,抗弯强度更高,玻璃可见光透过率超过80%;采用复合晶核剂样品晶粒尺寸小于100纳米,晶粒组织更细,同时成核效率高;复合晶核剂微晶玻璃的透过率、硬度和抗弯强度分别为85.4%、521 HV和79.37 MPa,比单一晶核剂玻璃性能更优。

不同成核剂对BaO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)系玻璃析晶的影响

铂薄膜是薄膜铂电阻温度传感器的重要组成部分,因其机械强度不高,目前主要采取表面制成一层包封玻璃保护铂薄膜。BaO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(BAS)系微晶玻璃具有化学稳定性好、机械强度高、高温性质较稳定等优点,有望将其引入薄膜铂电阻封装领域。本工作分别采用Li_(2)O、ZrO_(2)、TiO_(2)和Y_(2)O_(3)作为BAS系微晶玻璃的成核剂,研究成核剂种类和含量对微晶玻璃析晶的影响。结果表明:对玻璃析晶行为起到促进作用的强弱排序为:Li_(2)O>TiO_(2)>Y_(2)O_(3)>ZrO_(2)。Li_(2)O可显著促进BAS系玻璃析晶,随着Li_(2)O含量的增加,首先析出正交硅钡石相,接着出现六方钡长石相,最后析出单斜硅钡石相;且当Li_(2)O的摩尔分数为1.5%~2.5%时,BAS系玻璃膨胀系数为(7.75~8.13)×10^(-6)/℃,能与铂电阻基底氧化铝陶瓷膨胀系数(7.6×10^(-6)/℃)相匹配。最后,揭示了BAS系微晶玻璃的析晶机理:玻璃中Li_(2)O起到“积聚”作用,夺取玻璃网络结构中的O^(2-),破坏玻璃结构,降低结构的致密程度,从而降低玻璃化转变温度以及玻璃黏度,加快SiO_(2)的迁移,促进玻璃析晶。

B_(2)O_(3)对CaO-Al_(2)O_(3)-B_(2)O_(3)三元保护渣熔体结构的影响

通过分子动力学方法对非反应性保护渣CaO-Al_(2)O_(3)-B_(2)O_(3)三元渣系进行了模拟,构建了熔渣的网络结构模型,研究了渣系中B_(2)O_(3)的含量对保护渣熔渣微观结构的影响规律。结果表明:B在网络中与O的结合能力最强,且能够起到简化网络和平衡过剩电荷的作用;Al在熔体中主要以4配位形式存在,同时存在少量高配位Al-O结构,B_(2)O_(3)的含量为5%时,熔渣中[AlO_(4)]含量最高;随着B_(2)O_(3)含量的增多,熔渣网络结构聚合程度降低,复杂Al-O结构减少,熔渣微结构的有序性增加。

含Al_(2)O_(3)化渣剂对转炉脱磷的影响研究

Al_(2)O_(3)是一种性能良好的助熔剂。在鄂钢转炉的工业试验表明,加入Al_(2)O_(3)后炉渣熔点和黏度随着w(Al_(2)O_(3))的增加逐渐降低。随着渣中w(Al_(2)O_(3))的增加,脱磷率和渣钢间磷分配比呈现先升高后降低的趋势,在3%时达到最大值。使用含Al_(2)O_(3)化渣剂试验后,40炉工业试验炉次转炉石灰消耗平均为30.64 kg/t,与原工艺相比降低了5.14 kg/t,总造渣材料消耗平均降低5.52 kg/t。2023年新工艺较2021年原工艺平均总造渣材料消耗量降低了4.76 kg/t。

Al_(2) O_(3)-MgAl_(2) O_(4)复相骨料对刚玉-尖晶石浇注料抗渣性能的影响

为研究Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料对刚玉-尖晶石浇注料抗渣性能的影响,在基质中添加与不添加尖晶石细粉的2种情况下,分别以板状刚玉骨料和Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料制备了刚玉-尖晶石浇注料。先利用FactSage反应热力学软件计算了1600℃时板状刚玉和Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料与熔渣之间的反应热力学,并采用浸泡法研究了2种骨料的抗渣性能,再采用静态坩埚法研究了2种骨料对浇注料抗渣性能的影响。结果表明:与板状刚玉骨料相比,Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料侵蚀层中的裂纹细而少,遭受熔渣侵蚀后不易剥落,其过渡层中既有CA 6相也有尖晶石相,而且尖晶石相中固溶有Fe、Mn元素,该骨料不仅通过形成CA 6层来阻挡熔渣侵蚀,而且通过尖晶石吸收熔渣中FeO、MnO等物质而降低熔渣的黏度,进而起到抵抗熔渣侵蚀的作用。由Al_(2)O_(3)-MgAl_(2)O_(4)复相骨料替代板状刚玉骨料,浇注料试样的侵蚀和渗透面积百分率均有所降低,尤其在基质和骨料中同时引入尖晶石可更加有效地提高刚玉-尖晶石浇注料的抗渣性能。

中间包Al_(2)O_(3)-MgO-Cr_(2)O_(3)质挡墙的研制与应用

以烧结镁砂、电熔镁砂、高铝矾土、棕刚玉、板状刚玉、活性氧化铝微粉、二氧化硅微粉、氧化铬绿微粉为主要原料,外加高效减水剂制备中间包挡墙浇注料,并将其与原有浇注料进行对比试验。结果表明:在110℃保温24 h、1 200℃保温3 h和1 500℃保温3 h这3种处理条件下,新研制的Al_(2)O_(3)-MgO-Cr_(2)O_(3)质浇注料除常温强度略低外,烧后强度和高温抗折强度都明显高于同一条件下的对比浇注料;新研制的浇注料热震稳定性和抗渣性均明显好于原用镁质浇注料;采用新研制的Al_(2)O_(3)-MgO-Cr_(2)O_(3)质浇注料制作中间包挡墙,并在板坯中间包上试用,使用寿命明显提升,取得了预期的效果。

TiO_(2)对Dy_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)微晶玻璃晶化行为的影响

研究了TiO_(2)含量对Dy_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(DAS)玻璃的结晶行为、微观结构及相组成的影响,并分析了结晶过程中孔洞的形成机理。结果表明,随着TiO_( 2)含量的增加,微晶玻璃的晶化激活能先升高后降低。当TiO_(2)含量为6 wt.%时,DAS微晶玻璃的晶化激活能达到最高,说明其晶化能力最差。TiO_(2)含量变化并未改变该体系微晶玻璃的晶化形式,所有微晶玻璃样品的结晶方式均为表面结晶,且均存在Dy_(2)Si_(2)O_(7)。在TiO_(2)含量为0 wt.%的样品中还观察到球状Al_(2)O_(3)颗粒。当TiO_(2)含量高于6 wt.%的样品中则生成了Al_(2)SiO_(5)。另外,完全晶化的微晶玻璃样品中存在孔洞,孔洞的形成是由于结晶相与玻璃相之间的密度差异。孔洞的形态及分布则受到结晶相的生长速度、结晶相的致密程度与结晶相形态的共同影响。

Al_(2)O_(3)对含钛高炉渣熔化特性的热力学模拟

含钛高炉渣是高炉冶炼过程中的副产物,研究含钛高炉渣熔化特性对优化高炉冶炼过程和提高炉渣处理效率提供了理论依据。以四川省德胜钢铁有限公司含钛高炉渣为研究对象,采用Fact Sage^(®)热力学软件模拟研究不同含量的Al_(2)O_(3)对含钛高炉渣的熔化特性的影响。研究发现,Al_(2)O_(3)对含钛高炉渣开始熔化温度、完全熔化温度均有影响,其中对含钛高炉渣开始熔化温度影响效果不显著,开始熔化温度约为1164℃;对含钛高炉渣开始熔化温度影响效果较为显著,完全熔化温度约为1439℃,Al_(2)O_(3)含量每增加0.5%,含钛高炉渣完全熔化温度降低约3℃。研究结果为高炉冶炼过程中炉渣的管理提供了重要的理论依据。

CA_(6)细粉加入量对钢包永久衬用Al_(2)O_(3)-CaO系隔热浇注料抗渣性能的影响

为提高钢包周转过程中的保温性能,钢水冶炼过程常使用保温隔热材料以适应连铸钢水温度的变化,满足炉外精炼和连铸工艺需求。本文选用六铝酸钙(CA6)、97电熔镁砂、氧化铝微粉、白刚玉等为原料,纯铝酸盐水泥为主要结合剂,加入PC60减水剂和有机纤维,制备出用于钢包永久衬的隔热浇注料。探究了CA_(6)细粉加入量对隔热浇注料抗渣性能的影响。试验结果表明:1100℃煅烧后主要有颗粒状的CA_(2)生成,同时在基质内有大量片状的CA_(6);当煅烧温度升至1500℃,试样中的CA_(2)完全转化成了CA_(6),在试样内部仅检测出Al2O3和CA_(6)的特征峰;随着CA_(6)加入量的增加,试样的常温抗折强度和耐压强度呈现先上升后下降的趋势;同时,试样的导热系数呈现下降的趋势;当添加质量分数为10%CA_(6)时,试样的抗渣侵蚀性能较佳。

不同Al_(2)O_(3)/SiO_(2)比的MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)微晶玻璃制备及性能研究

本文采用烧结法制备MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(MAS)微晶玻璃,研究不同Al_(2)O_(3)/SiO_(2)质量比对MAS微晶玻璃的微观结构和理化性能的影响,采用X射线衍射、差热分析、红外光谱、扫描电子显微镜对基础玻璃与微晶玻璃的结构和表面形貌进行表征,并对微晶玻璃的密度、力学性能、耐蚀性、热学性能和介电性能进行测试分析。结果表明:随着Al_(2)O_(3)/SiO_(2)质量比从0.52增大至0.64,基础玻璃的玻璃化转变温度T_(g)增大、析晶峰值温度T_()p减小,促使样品析出α-堇青石晶相;样品密度在2.52~2.60 g/cm^(3)波动,介电常数εr由1.73增加到4.51,热膨胀系数由4.46×10^(-6)℃^(-1)降低到2.38×10^(-6)℃^(-1),介电损耗tanδ在8.4×10^(-3)~3.7×10^(-3)波动,抗弯强度在80~120 MPa波动。

Nb_(2)O_(5)-Al_(2)O_(3)-MgO-Na_(2)O-CaO-SiO_(2)体系相平衡研究

为揭示Nb_(2)O_(5)-Al_(2)O_(3)-MgO-Na_(2)O-CaO-SiO_(2)多元含铌炉渣体系中的铌矿物的定向结晶规律,采用高温相平衡—冷淬—SEM-EDS/XRD/EMPA试验方法,考察了温度、钙硅比(CaO/SiO_(2))、Nb_(2)O_(5)含量等因素对炉渣相平衡关系的影响,并构建了含铌矿物结晶析出的优势相图。结果表明:铌的结晶矿物主要有三种,分别为Ca_(2)Nb_(2)O_(7)、Ca_((14-x))Nb_((2+x))Si_(8)O_((35+1.5x))和3CaO·MgO·Nb_(2)O_(5);铌先富集于液相,相较于脉石组分,含铌固相为后析出相;CaO/SiO_(2)增加会使含铌固相优势区间发生从Ca_(2)Nb_(2)O_(7)相到Ca_((14-x))Nb_((2+x))Si_(8)O_((35+1.5x))相、再到3CaO·MgO·Nb_(2)O_(5)相的转变。Ca_(2)Nb_(2)O_(7)相的优势析晶区间为:温度1050~1200℃,C/S=0.8~1.2。Nb_(2)O_(5)在Ca_((14-x))Nb_((2+x))Si_(8)O_((35+1.5x))相中的嵌布质量浓度在18.5%~19.5%。

环丙沙星调控制备γ-Al_(2)O_(3)/SiO_(2)及吸附机制研究

采用环丙沙星(CIP)生物矿化调控制备γ-Al_(2)O_(3)/SiO_(2)吸附剂,研究所制备吸附剂的形貌与微结构变化及对CIP的吸附作用机制。在浸渍法制备γ-Al_(2)O_(3)/SiO_(2)的过程中,采用不同浓度的CIP调控γ-Al_(2)O_(3)/SiO_(2)的形貌与微结构。结果表明,采用0.1 mg/L CIP调控制备的吸附剂表面活性位密度(N_t)由6.68×10^(-4)mol/g增加到7.48×10^(-4)mol/g,平衡吸附量由8.60 mg/g增加到9.30 mg/g。pH=7.0时平衡吸附量最大,此时CIP 98%以分子形态存在、吸附剂表面形态98%为≡AlOH。从两者之间的分子形态作用结合傅氏转换红外线光谱(FTIR)分析,推测吸附作用机制是γ-Al_(2)O_(3)/SiO_(2)表面的≡AlOH与CIP中性分子之间以表面络合和金属离子配位作用为主。

不同n_(Al):n_(Si)的Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合气凝胶制备及其耐热性能研究

传统二氧化硅(SiO_(2))气凝胶脆性较大,高温下结构容易收缩,严重限制其应用。在保证SiO_(2)气凝胶高比表面积、高孔隙率的前提下,结合三氧化二铝(Al_(2)O_(3))熔点高、热稳定性极好等优点,可有效提升材料耐热性能。利用溶胶凝胶法常压干燥制备Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合气凝胶,通过调控n_(Al)和n_(Si)比例,研究材料热稳定性的变化情况。当n_(Al):n_(Si)是4∶1时,耐热性能最优,复合气凝胶的耐热温度从800℃提升到1200℃,且比表面积高达570.82 m^(2)/g,即使800℃热处理3 h后,比表面积仍高达410.86 m^(2)/g,孔径维持在10~30 nm。随热处理温度的逐渐升高,虽然Al_(2)O_(3)-SiO_(2)复合气凝胶的比表面积逐渐减小,但外观未发生明显变化、内部结构不坍塌,材料热稳定性能大大提高。

Sm^(3+)/Ce^(3+)共掺杂B_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)玻璃的结构和激光吸收性能

在硼铝硅酸盐玻璃(43B_(2)O_(3)-25Al_(2)O_(3)-32SiO_(2))中进行Sm^(3+)/Ce^(3+)共掺杂,采用固相熔融法制备(B_(2)O_(3)-Al_(2)O_(3)-SiO_(2))-20Sm_(2)O_(3)-x CeO_(2)(x为0~6%,摩尔分数)玻璃,借助X射线衍射、扫描电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见-近红外分光光度计等表征方法研究玻璃的结构和激光吸收性能。结果表明,所有样品均为玻璃状,Sm^(3+)和Ce^(3+)均匀分布。随CeO_(2)的摩尔分数从0增加到2%,玻璃中桥氧的摩尔分数从60.12%增加到63.82%,而当CeO_(2)的摩尔分数增加到6%时,桥氧的摩尔分数下降到59.41%。CeO_(2)摩尔分数为2%时玻璃的激光吸收性能最好,漫反射吸收峰位为1076 nm,漫反射率为48.10%。Sm^(3+)/Ce^(3+)共掺杂的硼铝硅酸盐玻璃是一种很有前景的1.06μm波长激光的吸收材料。

赤泥掺入黏土制备CaO-MgO(10%)-SiO_(2)-Al_(2)O_(3)体系陶瓷材料试验研究

我国年赤泥排放量高达1亿t,目前主要处理方式为填埋或者堆存,而制备陶瓷需要的黏土原料出现短缺。新型CaO-MgO(10%)-SiO_(2)-Al_(2)O_(3)体系陶瓷材料力学性能优越,市场前景乐观,本文设计了不同赤泥掺量的新型陶瓷制备原料的烧制试验,对不同的烧制产品进行微观及物相组成测试,并考察了不同赤泥掺量和不同温度下所烧制产品的物理及力学性能和重金属浸出情况。黏土中掺入部分赤泥所烧制的样品主要物相为辉石相、钙长石相,其中辉石相的生成有利于提高试样的抗折强度,钙长石相的生成有利于固化钠元素,促进致密化过程。不同赤泥掺量所制备试样的性能表现相近,均在1140℃时表现出优越的力学性能,线型收缩率和容重最大,吸水率最小,抗折强度最高;30%赤泥掺量下,吸水率和抗折强度指标均超过GB/T 4100—2015标准。浸出试验表明,各试样钠元素固化率高达99.91%,7种典型重金属浸出值均低于生活饮用水标准的限值。本研究为赤泥在陶瓷行业的再利用提供新的一种途径,不仅解决自身处置处理问题,更是节约大量的陶瓷黏土资源。

精炼渣Al_(2)O_(3)含量对铝脱氧钢中夹杂物的影响

为研究中等碱度精炼渣中Al_(2)O_(3)含量对钢洁净度和夹杂物的影响,在1873 K温度下用MgO坩埚开展了初始碱度为4、不同Al_(2)O_(3)含量的CaO-SiO_(2)-Al_(2)O_(3)-MgO顶渣与铝脱氧钢的平衡试验。结果表明,渣-钢反应后,夹杂物类型由反应前的MgO-Al_(2)O_(3)-MnS复合类转变为中心为MgO-Al_(2)O_(3),边部为MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-CaO(-MnO)系的包裹体复合类;形貌由边界多棱角的块状和簇群状转变为边界圆滑的类球状。随着渣中Al_(2)O_(3)含量的增加,夹杂物中Al_(2)O_(3)含量显著增加,MgO含量减少,其他组分含量变化不大;夹杂物尺寸呈现增大的趋势;夹杂物数量密度增大,钢的洁净度降低。该试验条件下,当w(Al_(2)O_(3))≈20%时,夹杂物数量密度最小,钢液的洁净度最高。基于试验结果,对渣、钢的成分变化和夹杂物转变做了热力学讨论。