硅鎂系固體廢棄物合成MgAlON-SiAlON復(fù)合材料研究.pdf

1、我國(guó)是世界上硼資源較豐富的國(guó)家之一，主要分布在遼寧、青海、西藏等地，其中遼寧省硼資源占全國(guó)硼資源儲(chǔ)量的64％，以硼鎂礦和硼鐵礦形式存在。硼鎂礦主要用作生產(chǎn)硼砂和硼酸的原料，該過(guò)程中產(chǎn)生大量的硼泥廢渣;硼鐵礦是一種含鐵、硼、鎂、等多元素共生礦，經(jīng)過(guò)磁-重聯(lián)合選礦后的會(huì)產(chǎn)生大量的尾礦。硼泥和硼鐵礦選礦尾礦的主要成分均是MgO和SiO2，屬于典型的硅鎂系固體廢棄物。目前硼泥與尾礦均未得到有效利用，它們的大量堆存已對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，因此，

2、硼泥和尾礦的綜合利用亟待深入研究。
　　本文首次提出以硼泥和硼鐵礦選礦尾礦為原料制備MgAlON/SiAlON新型復(fù)合陶瓷的設(shè)想，成功制備了MgAlON/SiAlON復(fù)合陶瓷，為工業(yè)固體廢棄物整體增值利用提出了新的有效途徑。主要研究硼泥和硼鐵礦選礦尾礦碳熱還原氮化合成MgAlON/SiAlON基復(fù)合粉體的工藝研究;復(fù)合粉體作為起始原料用于制備MgAlON/SiAlON復(fù)合陶瓷及其性能。本文無(wú)論在原料的選取方面還是在制備MgAlON

3、/SiAlON復(fù)合陶瓷的方面，都是新的課題，其研究結(jié)果具備較重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用前景。
　　首先分析了MgAlON和SiAlON合成的熱力學(xué)條件及相平衡關(guān)系，研究了配碳量、合成溫度、恒溫時(shí)間、N2氣流量對(duì)MgAlON/SiAlON復(fù)合粉體合成過(guò)程的影響。結(jié)果表明，隨著配碳量的增加，MgAlON不斷被分解，SiAlON相增加，但碳量過(guò)多時(shí)，SiAlON相也被分解;提高合成溫度和恒溫時(shí)間有利于MgAlON/SiAlON的生成。合成

4、過(guò)程中CO、SiO等氣相產(chǎn)物隨著氣體流動(dòng)N2逸出，造成較大的質(zhì)量損失。隨著合成溫度、恒溫時(shí)間和N2的流量的增加，質(zhì)量損失相應(yīng)的加劇。綜合考慮，利用硼鐵礦選礦尾礦合成MgAlON/SiAlON復(fù)合粉體的最佳合成條件為:配碳量為理論配碳量的1.2倍、1450～1500℃恒溫4h、N2流量400ml/min。利用硼泥合成MgAlON/SiAlON復(fù)合粉體的最佳合成條件為:配碳量為理論配碳量的1.5倍、Si/Al為理論配比、1500℃恒溫6h、

5、N2流量400ml/min。
　　其次，以合成的MgAlON/SiAlON復(fù)合粉體為原料，在N2氣氛下常壓燒結(jié)制備出了MgAlON/SiAlON復(fù)合陶瓷。研究了添加劑對(duì)材料致密化的影響;燒結(jié)溫度對(duì)材料相組成和顯微結(jié)構(gòu)的影響以及材料的結(jié)構(gòu)性能、力學(xué)性能和抗氧化性能。結(jié)果表明，燒結(jié)助劑Y2O3的效果最好，添加量為1％。材料結(jié)構(gòu)性能和力學(xué)性能隨著燒結(jié)的溫度升高而增加。1600℃時(shí)材料的體積密度為3.44 g/cm3、顯氣孔率為2.92％

6、、線收縮率為12.00％、失重率為10.38％、維氏硬度為16.62 GPa、抗折強(qiáng)度為171MPa。此溫度下，MgAlON/SiAlON材料的晶粒發(fā)育完全，呈片狀和柱狀晶相結(jié)合。在空氣中材料于1000℃時(shí)開(kāi)始氧化，1200℃后氧化增重有所增加。1200℃～1300℃氧化時(shí)，材料表面形成較致密的“氧化膜”，從而抑制了氧化反應(yīng)的進(jìn)行。1000℃～1300℃時(shí)材料的氧化過(guò)程遵循拋物線規(guī)律:(Δm/S)2=kt+C，其表觀活化能為1.598×