_石英方石英转变的研究
α-石英方石英转变的研究 67
α2石英方石英转变的研究
The Critobalite Transition of α2quartz
吴新正1, 邓湘云1,2, 李建保1,3, 陈润六1, 朱素娟1
(1海南大学, 海南优势资源化工材料应用技术教育部重点实验室, 硅锆钛资源综合开发与利用海南省重点实验室, 材料与化工学院, 海口570228;2天津师范大学, 物理与电子信息学院, 天津300387;3清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室材料科学与工程系, 北京100084)
WU Xin 2zheng 1, DEN G Xiang 2yun 1,2, L I Jian 2bao 1,3, C H EN Run 2liu 1, ZHU Su 2juan 1
(1Minist ry of Education Key Laboratory of Application Technology of Hainan Superior Resources Chemical Materials , Hainan Provincial K ey Laboratory of Research on Utilization of Si 2Zr 2Ti Resources , Materials and Chemical Engineering Instit ute , Hainan U niversity , Haikou , Hainan 570228, China ; 2College of Physics and Elect ronic Information , Tianjin Normal U niversity , Tianjin 300387, China ; 3Depart ment of Materials Science and Engineering , Tsinghua , 100084, China )
摘要:以SiO 2含量高达98. 2%的石英砂为原料, , 采用X 射线衍射仪对试样进行成分分析, :DSC曲线中未出现明显的方石英析出放热峰。XRD 测试表明, , 随着温度的提高、保温时间的增加, 方石英量不断增加。强度测试表明试样在。关键词:石英砂; 文献标识码:A :24381(2009) Suppl220067203
Abstract :Quartz sand which t he SiO 2content in achieves to 98. 2%was used as raw material , t he p re 2cipitation p rocess of t he cristobalite was analyzed by DSC , t he compo sition of samples were examined by X 2ray diffraction , t he st rengt h of sintered samples were tested by universal material testing ma 2chine. The result s indicate t hat exot hermic peak of precipitation process cannot be seen obviously in t he DSC curve. The XRD result s show t hat cristobalite is appeared in p roduct s of quartz sand after heat treat ment , and discover t hat t he amount of cristobalite increase wit h t he temperat ure and holding time. The st rengt h test s show t hat t he sample after heat treat ment at 1400℃get s it s maximum st rengt h.
K ey w ords :quartz sand ; cristobalite ; st rengt h test
石英砂是一种常见且应用非常广泛的的非金属矿物原料, 被大量用于陶瓷、玻璃及建筑工业, 高纯的石英砂还广泛应用于光学玻璃、航天、军事工业和尖端科学仪器等各个工业部门[1-4]。然而石英材料高温时易于析出方石英, 这个过程中材料的体积变化很大, 裂纹倾向很大, 随着方石英的进一步析出, 石英材料的会开裂损毁, 严重影响材料的使用安全。
迄今为止, 许多研究者对熔融石英、石英纤维等的方石英析出过程、机理及影响因素开展了比较多的研究[5-7]。但是, 对石英砂方石英化行为的研究很少见到报道。
本实验以较纯的石英砂为原料, 针对石英砂析出
方石英造成的复合材料整体性能降低问题, 对石英砂的析出过程和机理进行了研究, 探索石英砂的方石英化影响因素, 以便为低成本、高稳定性材料的制备提供依据。
1 试验方法
1. 1 试验原料
试验采用的主要原料为石英砂。图1为其XRD 谱图, 由于主晶相含量较高, 其他晶相未能突出,XRD 谱图中只有α2石英。将石英砂在行星式球磨机中球磨24h , 其球磨具体颗粒大小和纯度列于表1。
68 材料工程/2009年增刊2
为α2鳞石英温度有所提前。
图1 石英砂XRD 谱图
Fig. 1 XRD pattern of t he quartz sand
图2 石英砂的DSC 曲线
Fig. 2 DSC curve of t he quartz sand
表1 试验原料的粒度和纯度
Table 1 Particle size and purity of test materials
Test materials Quartz sand
Particle size /mm
Purity/%>98. 2
一般认为α2石为α2方石英起始温度为
1050℃, 图中在此温度范围。Smilowitz [8]认为晶型, 成核过程是吸, 晶化过程是放热过程。本研究认为由于石英砂中含有较多杂质元素, 而且石英砂粉末粒度较小, 表面能比较大, 都促进α2方石英晶体长大过程速率加快, 整过晶型转化的过程趋近于一个过程, 这样就造成成核速率与晶化速率曲线不可能彼此分开而出现明显的吸热和放热峰。2. 2 石英砂的XR D 分析
将石英砂分别在1200℃和1400℃热处理后, 进行XRD 分析, 图3为不同温度和保温时间热处理后的石
1. 2 试样制备
溶液(浓度为1. 0%) 成型压力为20MPa , ～℃下进行热处理, 升温速率为2℃/min , 保温时间为1h , 随炉温冷却。1. 3 试样检测将析晶处理后的试样采用Bruker D8Advance 多晶X 射线衍射仪(X 2ray diff raction ,XRD ) 进行成分分析。应用N ETZSCH STA 499c (DSC ) 综合热分析仪进行析晶过程和机理分析。利用万能材料试验机对烧结后试样进行强度测试。
2 结果与讨论
2. 1 石英砂的DSC 分析
英砂的XRD 图。从图3可见, 当在1200℃, 保温1h
烧成时, 未出现明显的α2方石英析出。当温度升高到1400℃, 在XRD 谱图上出现了α2方石英得析出, 但XRD 谱图上衍射峰较低,
表明其晶粒尺寸细小, 晶粒形态不完整。随着保温时间增加到1h , XRD 谱图峰强最高, 析出α2方石英量最大, 晶粒形态较完整。
石英砂的DSC 曲线如图2所示, 升温速率分别为
10℃/min 和20℃/min 。从图中可以明显看出在温度为575℃处有一个较尖锐的吸热峰, 这是β2石英转变为α2石英的吸收峰, 这是一个迅速型转变过程。继续加热到788℃出现第二个吸热峰, 一般认为α2石英转变为α2鳞石英的温度为870℃, 这是一个迟钝型转变, 石英转变为鳞石英或方石英时, 由于它们之间的晶体结构差异较大, 转变时所需能量较大, 时间很长, 转变
α速度非常慢。在没有矿化剂时, 2石英实际上不可能
转变为α2鳞石英, 在矿化剂没有或很少时α, 2石英则转变为α2方石英。但由于石英砂中含有较多的Fe , Ca
等矿化剂, 且石英砂粉末不同于块状纯石英, 其粒度较小, 表面存在较多杂质元素, 这些都使得α2石英转变
图3 不同温度和保温时间热处理后的石英砂的XRD 图
Fig. 3 Quartz sand XRD patterns after heat treat ment at
different temperatures and holding time
α-石英方石英转变的研究 69
Fe ,Ca 等矿化剂, 矿化剂和其它杂质相互作用形成液
虽然前述DSC 曲线中未出现α2方石英析出的吸热和放热峰, 但通过XRD 分析, 方石英是析出是存在的, 而且随着温度升高, 保温时间越长, 其方石英量是不断增加, 且晶体形态形成越来越趋于完整。2. 3 试样烧成后的力学性能分析
相, 并沿着裂纹侵入颗粒内部, 促成方石英的不断析
出。
3 结论
(1) DSC 曲线中未出现明显的方石英化吸热峰。
成型试样在1200～1500℃下进行烧结, 利用万能
材料试验机对烧结后试样进行强度测试, 测试结果如图3所示。从图中得出,1200～1400℃之间时, 随着温度升高, 试样的耐压强度得到大幅度的提高, 在1400℃达到最高。随着烧结温度达到1500℃, 耐压强
石英砂中含有较多杂质元素, 而且石英砂粉末粒度较
小, 表面能比较大, 都促进α2方石英晶体长大过程速率加快, 使得成核和晶粒长大趋近于一个过程。
(2) XRD 谱图表明, 石英砂中方石英量随着热处理温度的升高, 保温时间的延长, 而不断增加。
(3) 热处理温度在1200～1400℃之间, 随着温度升高, 试样的耐压强度得到大幅度的提高, 在1400℃达到最高。1500℃, 耐压强度逐渐下参考文献
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度逐渐下降。
由于石英砂是瘠性原料, 在本实验温度下, 试样烧结活性较低,1200～1400℃之间随着温度不断升高, 烧结性能逐渐提高, 力学性能不断加强, 当温度升高到1500℃, 由于方石英析出增加, 试样体积不断加大, 这
就导致试样出现微裂纹, 使得其力学性能下降。2. 4 石英砂方石英化的影响因素分析
石英砂由于其成分较复杂, 晶型种类较为繁多, (1) 粒度。, 需。前述的DSC 分析中可以得出, 粒度的减小, 表面能增加, 导致方石英晶体长大速率加快, 从而加快了方石英的析出。
(2) 温度与保温时间。从前述的XRD 分析中可以看出, 石英砂随着温度的升高, 保温时间的延长, 方石英量不断增加。
(3) 杂质。对于石英砂, 由于其纯度的限制, 不可避免会有一些杂质, 就会有不同的相分界面。而各相的分界面对方石英析出是有利的;
而且杂质中存在
δphase transition in PBX9501[J].Shock Compression of t he β→
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基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划) 资助项目
(2007AA03Z524) ; 国家自然科学基金资助项目(50872093)
图4 不同温度烧结后试样的耐压强度
Fig. 4 Compressive strengt h of samples sintered
at different temperatures
) , 男, 硕士研究生, 通讯作者:邓湘云作者简介:吴新正(1984—
(1964—) , 教授, E 2mail :xiangyundtj @126. com
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