摘要
经过长期的煤炭开采，煤炭的伴生产物煤矸石已经成为储量较大的工业固废，不仅侵占土地，还造成了严重的水污染和大气污染。但是，目前的煤矸石资源化利用还局限于做路基、制砖等低值的方式。有许多学者致力于煤矸石在陶瓷制备方面的研究，但是受到煤矸石中杂质的影响，样品的性能等都不够理想。本文首先以煤矸石和煤泥等固废为主要原料制备了多孔陶瓷，研究了玻璃粉作为添加剂对样品力学性能、孔结构等方面的影响。其次，用熔盐法制备的高纯纳米针状莫来石作为增强材料/基体材料，分别与氧化铝和氧化锆制备莫来石氧化铝复相陶瓷和氧化锆莫来石复相陶瓷。莫来石氧化铝复相陶瓷主要研究了莫来石添加量、烧结温度等影响因素对样品致密度、微观形貌、力学性能等方面的影响。氧化锆莫来石复相陶瓷研究不同锆源、氧化锆添加量及烧结温度等因素对样品物相含量、微观形貌、力学性能的影响，并综合研究了力学性能的增强机理。通过上述研究得到以下结论: (1)通过正交试验研究了煤矸石与煤泥比例、烧结温度、不同煤矸石粒径的比例三个因素对样品显气孔率、线收缩率等指标的影响，最终选择120目筛下煤矸石和200目筛下煤泥为主要原料，控制煤矸石和煤泥的质量比为7∶3，控制烧结温度为1150℃。但是由于样品的硬度不佳，因此以玻璃粉作为添加剂引入一定量的液相来促进原料之间的反应，同时探究了烧结温度对样品性能的影响。结果表明玻璃粉可以促进样品的反应并降低反应所需的温度，此外还可以在煤泥、木屑搭建的孔结构基础上，与温度共同实现孔结构的进一步调控。添加6％玻璃粉的样品，在1180℃烧结3h后，样品的显气孔率从不添加玻璃粉的40％降低到31.22％，＜8μm的孔与8-20μm的孔的数量比从7∶2调整为2∶7，抗折性能从7.70MPa提升到28.36MPa。 (2)通过熔盐法，将煤矸石与一定质量的明矾混合后，在850℃下可合成纯度较高的纳米针状莫来石。以该莫来石和氧化铝为原料，制备了莫来石氧化铝复相陶瓷，实现了纳米针状莫来石对氧化铝陶瓷的增强增韧。测试结果表明添加25％莫来石的复相陶瓷(MTA25)在1550℃烧结后具有最高相对密度96.43％和最低显气孔率0.98％。该样品的抗折强度为263.73MPa，断裂韧性为5.01MPa·m1/2，高于所报道的数据。机械强度的提高主要归因于材料通过穿晶断裂消耗了大量能量。格里菲斯断裂理论进一步证实，该样品具有最大的临界裂纹尺寸和最高的断裂功，分别为173.86μm和127.55J/m2。 (3)通过控制氧化锆、氧氯化锆两种锆源及其含量、烧结温度等变量，研究了氧化锆莫来石陶瓷物相、微观形貌、力学性能等。结果表明含12％氧化锆的样品具有最好的致密性，密度分别从2.50g/cm3增加到2.83g/cm3。此外，氧氯化锆的添加会使陶瓷基体中存在定量的t-ZrO2，使得样品力学性能得到进一步提升，抗折强度从162.40MPa增加到285.04MPa，断裂韧性从2.38MPa·m1/2增加到3.55MPa·m1/2。
NETL