鄧承繼，周 亮，祝洪喜，丁 軍

（武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，湖北武漢，430081）

鎂橄欖石（Mg2SiO4）是島狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，具有強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高（1 890℃）、化學(xué)和礦物穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低（為純氧化鎂的1／3～1／4）等特點(diǎn)，且材料呈弱堿性，與大多數(shù)堿性耐火材料具有良好的相容性[1－4]。因此，利用鎂橄欖石制備高溫隔熱材料是比較理想的。目前鎂橄欖石質(zhì)材料主要是由鎂質(zhì)原料在高溫下合成[5－7]，或者通過溶膠－凝膠法合成[8－10]。隨著菱鎂礦等鎂質(zhì)耐火材料原料的日益緊張，存儲(chǔ)量豐富的天然鎂橄欖石逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[11]。

目前在工業(yè)熱工設(shè)備高溫部位使用的保溫隔熱材料主要是通過發(fā)泡法或吹真空法制得的輕質(zhì)、多孔、熱導(dǎo)率低的材料[12]。這些方法需要較高的反應(yīng)溫度，成本較高。熔鹽法是近代發(fā)展起來的一種無機(jī)材料合成方法，該方法采用一種或數(shù)種低熔點(diǎn)的鹽類作為反應(yīng)介質(zhì)，試樣在高溫熔融鹽中完成合成反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，將熔融鹽冷卻，采用合適的溶劑將鹽類溶解，過濾、洗滌后即可得到合成產(chǎn)物。熔鹽法利用熔鹽介質(zhì)提供的液態(tài)環(huán)境，使得由擴(kuò)散控制的固相反應(yīng)之均勻性和反應(yīng)速率都得到明顯提高[13]。本研究采用熔鹽法，以存儲(chǔ)量豐富的天然鎂橄欖石為原料，制備了鎂橄欖石質(zhì)隔熱材料，并研究燒結(jié)溫度和熔鹽含量對材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

以湖北宜昌鎂橄欖石細(xì)粉（320目，化學(xué)成分見表1）為原料，分別添加33.3%、40%、50%、60%和66.6%的NaCl（分析純），外加3%熱固性酚醛樹脂為結(jié)合劑進(jìn)行配料。將配制好的混合料置于行星式球磨機(jī)內(nèi)混料3 h，在80 MPa壓力下壓制成φ36 mm×36 mm的圓柱試樣，按NaCl配比從低到高依次編號(hào)為1＃～5＃，于110℃下干燥24 h后，分別在1 000、1 100、1 150℃下燒成，保溫10 h。將燒成后的試樣置于100℃的水中進(jìn)行處理，使試樣中的鹽溶于水中，并收集水溶液中的鹽。用排水法測定試樣的顯氣孔率和體積密度，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測定其常溫耐壓強(qiáng)度，用X射線衍射儀（Philips X’Pert Pro）分析其物相組成，用掃描電鏡（Philips XL30 TMP）觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)。

表1 鎂橄欖石的化學(xué)組成（wB／%）Table 1 Chemical compositions of forsterite

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

圖1顯示了不同燒結(jié)溫度和熔鹽含量對試樣顯氣孔率、體積密度和耐壓強(qiáng)度的影響。由圖1中可見，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的顯氣孔率逐漸降低，體積密度逐漸增大，耐壓強(qiáng)度逐漸升高；隨著熔鹽含量的增加，試樣的顯氣孔率逐漸增大，體積密度逐漸減小，耐壓強(qiáng)度逐漸降低。

圖1 不同熔鹽含量試樣燒結(jié)后的力學(xué)性能Fig.1 Effect of firing temperature and mass ratio of molten salt on properties of samples

對隔熱材料而言，在保證一定耐壓強(qiáng)度的情況下，增大材料的顯氣孔率、降低其體積密度有利于提高材料的隔熱性能，材料內(nèi)微孔數(shù)量越多、氣孔分布越均勻，其隔熱性能越好[13]。NaCl的熔點(diǎn)為801℃，本實(shí)驗(yàn)選用的燒結(jié)溫度為1 000、1 100、1 150℃，鎂橄欖石在NaCl形成的液相環(huán)境中進(jìn)行燒結(jié)，通過燒結(jié)一方面促進(jìn)鎂橄欖石晶體的形成長大，另一方面也使燒結(jié)體內(nèi)氣體逐漸排出，使試樣致密化；試樣中NaCl基本不參與反應(yīng)，熔融后一部分由于重力作用流出，另一部分通過水處理后溶于水中，其占據(jù)的空間就形成氣孔。從圖1中可以看出，燒結(jié)溫度為1 000℃和1 100℃時(shí)，試樣的性能變化不明顯；當(dāng)燒結(jié)溫度升至1 150℃時(shí)，由于燒結(jié)作用明顯，試樣的顯氣孔率明顯降低、體積密度明顯增大，可以推測當(dāng)燒結(jié)溫度高于1 150℃時(shí)，制得的試樣更加致密，會(huì)使試樣的隔熱性能明顯降低。因此，較佳的燒結(jié)溫度為1 100℃。由圖1中還可看出，熔鹽含量增加，試樣的顯氣孔率增大；但若熔鹽含量過高，鎂橄欖石骨架不易形成，會(huì)降低試樣的耐壓強(qiáng)度。因此，較佳的熔鹽含量為50%。

2.2 顯微組織與物相分析

圖2所示為3＃試樣在不同溫度下燒結(jié)后的低倍顯微結(jié)構(gòu)照片。從圖2中可見，1 000℃下燒結(jié)的試樣結(jié)構(gòu)疏松，氣孔較大且分布不均勻；1 100℃下燒結(jié)的試樣氣孔較多且分布均勻，形成的鎂橄欖石骨架也較好，適合做隔熱材料；1 150℃下燒結(jié)的試樣比較致密，氣孔數(shù)量較少。

圖2 3＃試樣在不同溫度下燒結(jié)后的顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.2 SEM images of sample sintered at different temperatures

圖3 1 100℃下燒結(jié)后3＃試樣的高倍顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.3 High magnification SEM image of sample sintered at 1 100℃

圖3～圖5所示分別為1 100℃下燒結(jié)后3＃試樣的高倍顯微結(jié)構(gòu)照片、XRD圖譜和能譜圖。由圖3中可以看出，試樣中主要的晶體形態(tài)是規(guī)則的八面體。從圖5中可以看出，較小晶體（圖3中目標(biāo)Ⅰ點(diǎn)）的元素成分為Mg、Si和O，其原子比為25.89%、14.03%和60.08%，與Mg2SiO4接近；較大晶體（圖3中目標(biāo)Ⅱ點(diǎn)）的元素成分為Mg、Si、Fe和O，其原子比為31.55%、18.71%、1.43%和48.32%。由于Mg2＋和Fe2＋的半徑和結(jié)構(gòu)因素相近，因此Mg2＋和Fe2＋可以互相取代形成（Mg·Fe）2[SiO4]，結(jié)合圖4可以看出，在1 100℃下燒結(jié)后3＃試樣中的主要物相為Mg2SiO4，表明制備的隔熱材料中起支撐作用的是Mg2SiO4基體。

圖4 1 100℃燒結(jié)后3＃試樣的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of sample sintered at 1 100℃

圖5 1 100℃燒結(jié)后3＃試樣的能譜圖Fig.5 EDS analysis of sample sintered at 1 100℃

3 結(jié)論

（1）以天然鎂橄欖石為原料，NaCl為介質(zhì)，采用熔鹽法制備鎂橄欖石質(zhì)隔熱材料時(shí)，NaCl熔融后提供液相燒結(jié)環(huán)境促進(jìn)了鎂橄欖石的燒結(jié)，同時(shí)通過水溶液處理后NaCl溶于水中，其占據(jù)的空間形成了氣孔。熔鹽含量為50%時(shí)制得的鎂橄欖石質(zhì)材料性能較好。

（2）適當(dāng)提高燒結(jié)溫度有利于提高材料性能，但燒結(jié)溫度過高會(huì)使材料過于致密，不利于提升其隔熱性能；1 100℃下燒結(jié)制得的試樣性能較好，鎂橄欖石骨架結(jié)合更好、氣孔小、氣孔分布更均勻，適合做鎂橄欖石質(zhì)隔熱材料。

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