摘 要

钛酸铝陶瓷材料具有优良的耐高温和抗热震性能，因此能广泛应用于有色金属、化工等行业。但是，钛酸铝材料在冷却时易产生微裂纹，导致机械强度降低，以及中温易分解，热膨胀系数大幅度增加，使得抗热震性能下降。这两大缺点限制了钛酸铝材料作为结构材料的应用。本文以二氧化钛和氧化铝粉末为原料，通过固相法制备钛酸铝，研究了不同的原料配比对钛酸铝材料结构和性能的影响。通过添加MgO和SiO₂作为复合添加剂，设计不同组成的复合添加剂考察添加剂组成对钛酸铝陶瓷结构及性能的影响。通过改变烧结温度和保温时间，探索烧成制度对于钛酸铝陶瓷性能的影响。采用x射线衍射分析表征了样品的物相组成。通过阿基米德法测定了试样的体积密度和显气孔率。通过三点弯曲实验，测定了试样的抗弯强度。通过SEM分析陶瓷试样的显微形貌。

研究结果表明：

在不同的的原料配比下生成的钛酸铝的纯度不一样，其中在氧化铝与二氧化钛的摩尔比为1:1时，反应产物含有最多的钛酸铝晶相，固相反应进行的最完全。其他原料配比含有更多的氧化铝和二氧化钛杂质。

通过加入复合添加剂MgO和SiO₂能够提高产物的致密度和抗弯强度，选用4wt%的MgO和6wt%的SiO₂，可以获得致密度和机械强度均比较高的钛酸铝材料。

通过改变烧结温度和保温时间，试样在1475℃时能够充分反应，获得高纯度的钛酸铝材料，同时保温时间不宜过长，过长容易使钛酸铝内的微裂纹长大，降低机械强度，保温时间设置为2 h较合适。

本文的特色：通过优化原料配比以及工艺制度实现对钛酸铝显微结构和性能的调控，借以克服钛酸铝陶瓷的性能弱势，进一步发挥其性能优势。

关键词：钛酸铝；添加剂；原料配比；温度

Abstract

Aluminum titanate ceramic material has excellent high temperature resistance and thermal shock resistance, so it can be widely used in non-ferrous metals, chemical industry and other industries. However, aluminum titanate materials are easy to produce microcracks when they are cooled, which leads to the decrease of mechanical strength, the easy decomposition at medium temperature, and the large increase of thermal expansion coefficient, which leads to the decrease of thermal shock resistance. These two disadvantages limit the application of aluminum titanate as structural materials. In this paper, titanium dioxide and alumina powder were used as raw materials to prepare aluminum titanate by solid-phase method. The effects of different raw materials on the structure and properties of aluminum titanate were studied. By adding MgO and SiO₂ as composite additives, different composite additives were designed to investigate the influence of additive composition on the structure and properties of aluminum titanate ceramics. Finally, the influence of sintering system on the properties of aluminum titanate ceramics was explored by changing sintering temperature and holding time. The phase composition of the sample was characterized by X-ray diffraction. The bulk density and apparent porosity were measured by Archimedes method. The bending strength of the specimen was measured by three-point bending test. The microstructure of ceramic samples was analyzed by SEM.

The results show that:

The purity of aluminum titanate is different under different ratio of raw materials. When the molar ratio of alumina to titanium dioxide is 1:1, the reaction product contains the most aluminum titanate crystal phase and the solid-phase reaction is the most complete. Other raw materials contain more impurities of alumina and titanium dioxide.

By adding composite additives MgO and SiO₂, the density and bending strength of the product can be improved. Choosing 4wt% MgO and 6wt% SiO₂, the aluminum titanate material with high density and mechanical strength can be obtained.

By changing the sintering temperature and holding time, the sample can react fully at 1475 ℃ to obtain high-purity aluminum titanate material. At the same time, the holding time should not be too long. Too long is easy to make the microcracks in aluminum titanate grow up and reduce the mechanical strength. The holding time is set as 2 h.

The characteristics of this paper: by optimizing the ratio of raw materials and the technological system, the microstructure and properties of aluminum titanate can be controlled, so as to overcome the performance weakness of aluminum titanate ceramics and further develop its performance advantages.

Key Words：Aluminium titanate;Additive;Raw material ratio;The temperature

目 录

第1章 绪论 1

1.1 钛酸铝的基本性质 1

1.1.1 低热膨胀 1

1.1.2 低机械强度 1

1.1.3 中温易分解 2

1.2 钛酸铝的合成方法 2

1.2.1 固相法 2

1.2.2 液相法 2

1.2.3 气相法 2

1.3 钛酸铝的应用和发展前景 2

1.3.1 钛酸铝陶瓷的应用 2

1.3.2 钛酸铝陶瓷的发展前景 3

1.3.2.1 添加剂改性 3

1.3.2.2 多孔陶瓷 3

1.3.2.3 废弃材料合成钛酸铝 3

1.4 研究的目的和意义 3

第2章 实验原料及研究方法 4

2.1 实验原料 4

2.2 实验设备 4

2.2 实验方案 4

2.3 材料研究方法 6

2.3.1 粒度测试 6

2.3.2 体积密度与显气孔率的计算 6

2.3.3 物相组成分析 6

2.3.4 显微结构分析 7

2.3.5 抗弯强度的测定 7

第3章 实验数据处理和分析 8

3.1 钛酸铝的相图与晶体结构 8

3.1.1 氧化铝-二氧化钛体系相图 8

3.1.2 钛酸铝的晶体结构 8

3.2 原料配比对钛酸铝结构和性能的影响 9

3.2.1 实验内容 9

3.2.2 实验结果分析 11

3.3 氧化镁和二氧化硅对钛酸铝结构和性能的影响 17

3.3.1 实验内容 17

3.3.2 实验结果分析 17

3.4 烧结制度对钛酸铝结构和性能的影响 23

3.4.1 实验内容 23

3.4.2 实验结果分析 24

第4章 结论 34

参考文献 35

致 谢 36

第1章 绪论

随着科技的不断发展，人们对于材料的要求也越来越高。一般当材料受到高温之后都会发生形变，降低材料的使用性能。而钛酸铝材料是为数不多的在高温下仍然能够保持低热膨胀系数的材料，这一特性正好可以使其良好地应用于高温环境中。由于钛酸铝在高温下具有低的热膨胀系数，并且也有着无机非金属材料所具有的良好的抗碱和耐腐蚀性能，钛酸铝陶瓷可应用于柴油颗粒过滤器，用于对柴油废气造成的空气污染，尤其是颗粒物进行过滤^[1]。钛酸铝具有低热导率和良好的抗热冲击性能，可以应用于航空航天中对于材料热性能要求比较高的零部件。钛酸材料制备的原料易获得，制造成本低，但是还未得到广泛的应用，主要是因为钛酸铝材料存在着两个不容忽视的缺点，一是在中温时容易分解，从而导致其热膨胀性能大大降低。二是在冷却的过程中会产生微裂纹，降低其机械强度。这两点限制了钛酸铝材料在高温环境下的正常使用，尤其是作为结构材料进行承载方面的应用，而只能用作抗高温热震但承载较小的部件^[2]。为了获得低热膨胀系数兼具较高的机械强度以及较好的热稳定性的钛酸铝材料，人们不断地进行探索。如何获得性更加优良的钛酸铝材料，我在本论文中通过改变初始原料配比、加入氧化镁和二氧化硅作为添加剂、改变烧成制度这三个方面进行了实验和研究。

1.1 钛酸铝的基本性质

1.1.1 低热膨胀

钛酸铝具有低热膨胀性，这一特性也使其表现出良好的抗热震性能。在微观结构上由于其三个晶轴上的热膨胀系数的差异非常大,热膨胀各向异性严重。钛酸铝三个晶轴方向热膨胀系数具有很大的差异，分别为α_a=9.8×10^-6/℃，α_b=20.6×10^-6/℃，α_c=-1.4×10^-6/℃^[3]。钛酸铝陶瓷在烧成之后的冷却过程中，会在内部产生较大的内应力，其内部会产生微裂纹。在温度升高时，大量的微裂纹会发生弥合，在受热时表观体积就不会出现大的变化，使其变现出低热膨胀的特性。其次，钛酸铝陶瓷本身的晶体结构松弛，其内部存在结构空隙，在温度升高后，可以容纳原子热振动产生的膨胀。综合上述两点原因，钛酸铝表现出低热膨胀的特性。

1.1.2 低机械强度

在冷却过程中，由于其三个晶轴上的热膨胀系数不一样，在遇冷时，三个晶轴的收缩率不同，因此由热到冷的过程中会产生微裂纹。微裂纹容易使应力集中，降低钛酸铝材料强度。钛酸铝的低热膨胀特性也使得钛酸铝有着低的机械强度，这也制约了钛酸铝的广泛应用。为了获得性能优良的钛酸铝材料，需要控制好微裂纹的大小和数量。

1.1.3 中温易分解

钛酸铝材料在750-1300℃区间易发生分解，并且其在1100-1150℃有最大的分解速率。在低温区和高温区，钛酸铝能够相对稳定地存在。有研究者认为钛酸铝中的Al³ 半径相对较小，故而运动相对自由，在高温时获得能量，逃离平衡位置，从而使晶格发生畸变，破坏晶体结构的稳定性，从而发生分解^[4]。

1.2 钛酸铝的合成方法

钛酸铝陶瓷的制备主要有三种方法，分别有固相法，液相法，以及气相法。

1.2.1 固相法

固相合成法一般是由氧化铝和二氧化钛在1:1的条件下，在1280℃以上的高温下进行反应而合成得到的。固相法的操作简单，合成成本低，对于仪器设备的要求不高，可以大批量地进行生产制备，但是难以制备高纯度的钛酸铝。

1.2.2 液相法

液相合成钛酸铝主要方法有醇盐包裹沉淀法、溶胶凝胶法和共沉淀法。通过液相法可以制备较均匀、纯度较好、超细的钛酸铝粉体，但是由于其制备过程复杂而不适用于大批量进行生产。

1.2.3 气相法

典型的气相法是利用四氯化钛、三氯化铝在高温下发生反应来合成钛酸铝粉末^[5]。尽管其制得的钛酸铝粉末纯度高，细度小，但是由于其设备复杂，成本极高，这种方法一般很少被采用。

在考虑各种方法的优缺点后，选择使用固相法合成钛酸铝粉末。

1.3 钛酸铝的应用和发展前景

1.3.1 钛酸铝陶瓷的应用

钛酸铝陶瓷材料具有许多优良的物理性能，诸如耐高温，抗热震性能良好，低热膨胀系数、耐腐蚀等一系列优良性能。因此，钛酸铝也广泛应用于汽车、冶金、化工等科学技术和工业生产行业。钛酸铝陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数低、抗热冲击性能好的特点，被用于管道内村发动机排气管等隔热材料的制作。钛酸铝材料凭借其低热膨胀系数和良好的耐高温性能，具有广泛的应用前景。

1.3.2 钛酸铝陶瓷的发展前景

1.3.2.1 添加剂改性

钛酸铝材料的两个缺点限制了钛酸铝材料作为结构材料在需要高负荷、高强度的零部件的应用，钛酸铝材料的低热膨胀系数与低机械强度相互制约，如何获得高机械强度，并且仍旧保有低热膨胀特性的性质稳定的钛酸铝材料也是许多学者一直致力于研究的方向。

1.3.2.2 多孔陶瓷

多孔陶瓷由于其具有耐高温，耐腐蚀，比表面积大的特点，可以用作高温气体的过滤材料。同时，钛酸铝多孔材料具有比较面积大，良好的抗热冲击性能，也可以用于汽车尾气的催化净化装置，减少汽车尾气排放对于环境的影响。在多孔陶瓷的研究上，我国相对于其他发达国家起步更晚，仅康宁公司和日本碍子株式会社（NGK公司）两家蜂窝陶瓷生产厂家的产品就占据世界上一半以上的市场份额^[6]，并且其生产的多孔陶瓷的性能比国内生产厂家的性能更加优良，为了生产出更加优质的多孔陶瓷，打破技术壁垒，需要不断地深入研究。

1.3.2.3 废弃材料合成钛酸铝

利用铝钛废渣合成钛酸铝，可以使含铝和钛的工业废弃物得以循环利用，同时也能为生产钛酸铝陶瓷的企业降低原料成本。如何利用废弃材料合成钛酸铝，对于工业生产具有重要意义。

1.4 研究的目的和意义

本论文通过固相烧结法，利用分析纯的氧化铝和二氧化钛粉末制备了钛酸铝陶瓷。并且通过改变原料配比，探索制备钛酸铝粉末的最优配比及工艺，制备性能更加优良的钛酸铝材料。在了解到添加MgO会使得Mg² 固溶于钛酸铝材料，使其晶格结构更加稳定，提高钛酸铝的热稳定性^[7]，以及加入SiO₂会使得钛酸铝更加致密，有利于钛酸铝材料机械强度的提高^[8]。针对钛酸铝陶瓷材料的中温易分解以及低机械强度这两个缺点，我加入MgO和SiO₂的复合添加剂对钛酸铝材料进行改性，并且研究了MgO和SiO₂的不同配比时对于钛酸铝结构和性能的影响，添加剂的加入有利于获得性能更加优良的钛酸铝陶瓷。同时也进一步探究了不同烧成制度对于钛酸铝的结构和性能的影响，合理的烧成制度可以获得性能优良的钛酸铝陶瓷材料，并且能够节约能源，降低生产成本，减少对于环境的污染。通过一系列的测试手段，对于所制备的钛酸铝陶瓷进行物相组成、显微结构、力学性能的表征，进而分析其结构与性能之间的差异和联系，确定理想的制备工艺。