毕业论文《钛酸铝的合成及性能表征》.doc

第1章 绪 论1.1 概论 钛酸铝陶瓷现在是作为一种抗热震材料，具有地热膨胀率、高熔点等优良特性，是目前低膨胀材料中耐高温性能最好的一种。因其隔热性好，还能耐腐蚀、耐碱、抗渣等特性被广泛应用于钢铁、化工、陶瓷、汽车引擎等领域。近年来国内外许多人士为了增强钛酸铝陶瓷的高温热稳定性和机械强度从各个方面进行了实验研究，并且取得了重要的进展。本文通过各种对比实验分别以二氧化钛与三氧化二铝、硝酸铝与硫酸钛、氢氧化铝与硫酸钛、硫酸铝与硫酸钛、钛酸丁酯与硝酸铝为基本原料，合成过程中加入铁、镁、钕、铯、碳黑、CMC 帮助合成性能更好，成分更纯的钛酸铝，并且讨论了钛酸铝合成的各种影响因素。1.1.1 钛酸铝材料的应用 稳定的钛酸铝可单独制成制品也可与其他材料复合制成制品有时可以加入少量钛酸铝对其他材料进行改性也有以其为主要成分的钛酸铝基复合材料。制备的稳??化钛酸铝及其复合材料可广泛用于耐高温、抗热震、耐磨损、抗腐蚀、抗碱性等条件苛刻的环境。例如:可用于陶瓷窑炉作为窑具材料使用从而改变我国窑具材料使用寿命低以及依赖进口的现状可制成蜂窝陶瓷用于净化汽车尾气的催化剂载体或热交换器以及用于钢铁和有色工业如作为炼铝工业用的测温热电偶保护管或其他场合。总之其具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景。1.1.2 钛酸铝材料的缺点 虽然钛酸铝材料具有许多优点，但是也有不足的地方。钛酸铝材料具有两大致命 一、缺陷： 在 800 摄氏度左右容易分解成金红石和刚玉，使材料的热膨胀性显著提高。从而失去了其优异的抗热震性能。二、晶体冷却时内部会产生大量微裂纹，使钛酸铝材料机械强度低1。 近年来，国内为学者也针对钛酸铝材料的缺陷展开了一系列研究，力求改善其性能，并且取得了显著的进展。钛酸铝高温易分解、机械强度低的特性与其结构的关系密不可分。 Al 3 、Ti 4 与周围的 O 2 构成八面体空隙，而 Al 3 、Ti 4 位于氧八面体的中心。由于 Al 3 半径较小，受周围例子的束缚较弱。当钛酸铝被加热时，获得能量震动家具，具有较高能量的离子有可能摆脱其他离子的束缚离开平衡位置，结果使原来的八面体产生畸变并影响附近的晶格，连续的影响会使钛酸铝晶格遭到破坏，产生分解。 由于钛酸铝严重的热膨胀各向异性导致烧结体在冷却中内部会产生大量的微裂纹，这些微裂纹分布在晶界和晶粒上，虽然当加热钛酸铝的烧结体时，a、b 轴向上的热膨胀绝大部分被众多的微细裂纹的弥合所抵消，导致产生很好的抗热震性，但是它们的存在却使钛酸铝材料难以致密烧结，导致很低的机械强度。1.1.3 研究的目的和意义 本论文先利用固相法、溶胶-凝胶法制备钛酸铝烧结的前驱体，再利用微波辅助加热的方式进行加热，合成钛酸铝。通过加入添加剂，降低钛酸铝的低共融温度，使合成温度降低并得到性能更好的钛酸铝材料。1.2 钛酸铝的基本结构与性质1.2.1 钛酸铝的晶体结构 1972 年 Morosin 通过实验证实了在 Al2Ti5 中 AL3、TI4是以八面体 AlO6、TiO6形式存在，Al3、TI4的位置完全随机分布，Al3的半径为 0.005nm，而 TI4的半径为0.068nm，两者相差较大，使得八面体具有很大的扭曲度，如图 1 所示2。钛酸铝的晶体密度为 3.702g/cm 3 ，具有和 Fe2TiO5、MgTi2O5 相似的结构，属于正交晶系，其晶格常数为3。a00.359.nm，b00.9429nm，c00.9636nm； α β χ 90 0 ，沿晶轴各向异性很大。单一的 Al2TiO5 瓷体，其结构为层状，在层内两八面体以公陵方式互相连接而垂直于层面，层间八面体以共顶方式连接，所以层内结合力弱，层间结合力较强。 图 1 钛酸铝的微观结构1.2.2 钛酸铝的基本性质 ， 密度为 3.702g/cm3 熔点为 1860℃±10，是目前低膨胀材料中耐高温性能最好的一种，隔热性好，还能耐腐蚀、耐碱、抗渣。1.2.3 钛酸铝的纯度与稳定性 通过对钛酸铝分解反应的动力学分析可以知道合成材料的钛酸铝纯度低游离的Al2 O3 和TiO2 将导致异相界面的出现使分解反应综合活化能降低从而加速分解反应的进行所以合成材料中钛酸铝的纯度对其稳定性有较大试验研究表明纯的钛酸铝几乎完全分解为金红石和刚玉。一般采取加入添加剂或复合材料的方法对钛酸铝进行稳定性试验。 关于钛酸铝稳定性的原因可从结构上予以解释。从晶体结构上考虑当引入适宜的添加剂后添加剂中的金属离子有一部分或全部固溶到钛酸铝晶格中置换了部分半径较小的Al3 从而降低了原八面体的畸变程度使钛酸铝的稳定性提高。 从显微结构考虑由于合成的钛酸铝复合材料中第二相的存在使得钛酸铝的稳定性提高。当第二相含量较少时主要存在于钛酸铝晶粒界面和晶粒三角交界处抑制Al2 O3 、TiO2 晶核的生成阻碍钛