论文总字数：22404字

摘 要

钛酸铝陶瓷材料是一种常用的低膨胀耐热材料，具有低热膨胀系数、低导热系数，低机械强度、耐高温，而且化学性质稳定，在汽车、有色金属、玻璃等工业生产中应用范围很广。但是，钛酸铝晶体不同的晶轴上的热膨胀系数不同，在热处理过程中容易产生微裂纹，使得材料的机械强度降低；另外，在750℃至1280℃的温度阶段中，钛酸铝材料会发生分解反应，产物是二氧化钛和氧化铝，从而降低钛酸铝材料的性能。
本文通过对钛酸铝材料的晶体结构、低膨胀性、低机械强度、易分解性等进行资料查阅、总结和分析。探究了钛酸铝陶瓷材料的微观结构、原料粒度、生产工艺，以及引入添加剂改性等方面对耐热陶瓷材料性能的影响，分析这几个方面对钛酸铝陶瓷材料性能的作用机理。同时对钛酸铝复相陶瓷进行性能分析，比较两者在性能上的差异。通过实验设计探究钛酸铝、透锂长石这两种材料能否进行复合，从而达到改善钛酸铝陶瓷性能的目的。总结分析钛酸铝陶瓷材料未来发展的意义。

本文通过研究得到的主要结论有：原料粒度、微观结构、烧成温度及气氛均能影响钛酸铝陶瓷的热膨胀系数和机械强度，其中微观结构中的微裂纹机制是影响热膨胀系数的主要因素；添加剂对钛酸铝性能的影响机理主要是通过形成固溶体，抑制钛酸铝分解；在钛酸铝复相陶瓷中，陶瓷性能主要受与钛酸铝复合相的含量影响。

关键词：钛酸铝；热膨胀系数；微裂纹；添加剂；复相陶瓷；透锂长石

Abstract

Aluminum titanate ceramic material is a commonly used low-expansion heat-resistant material with low thermal expansion coefficient, low thermal conductivity, low mechanical strength, high temperature resistance, and stable chemical properties. it is widely used in automobile, non-ferrous metal, glass and other industrial production. however, the thermal expansion coefficient on different crystal axes of aluminum titanate crystals is different, and it is easy to produce microcracks during heat treatment, which makes the mechanical strength of the material decrease. in addition, at the temperature stage of 750℃ to 1280℃, the decomposition reaction of aluminum titanate material will occur. the products are titanium dioxide and alumina, thus reducing the performance of aluminum titanate material. In this paper, the aluminum titanate material The crystal structure, low expansion, low mechanical strength and easy decomposition were reviewed, summarized and analyzed. The effects of microstructure, raw material size, production process and additive modification on the properties of heat-resistant ceramic materials were investigated. At the same time, the properties of aluminum titanate composite ceramics were analyzed, and the differences between them were compared. Through the experimental design, the composite of aluminum titanate and lithium-permeable feldspar can be explored to improve the properties of aluminum titanate ceramics. To summarize and analyze the future development of aluminum titanate ceramic materials Righteousness.

The main conclusions are as follows: the particle size, microstructure, firing temperature and atmosphere can affect the thermal expansion coefficient and mechanical strength of aluminum titanate ceramics, in which the microcrack mechanism in microstructure is the main factor affecting the thermal expansion coefficient; the influence mechanism of additives on the properties of aluminum titanate is mainly through the formation of solid solution to inhibit the decomposition of aluminum titanate; in aluminum titanate complex ceramics, the ceramic properties are mainly affected by the content of the composite phase with aluminum titanate.

Key Words：Altitanate; Thermal expansion coefficient; Microcracks; Additives; Complex ceramics; Permeable lithium feldspar;

目 录

第1章 绪论 1

1.1低膨胀陶瓷的特点及应用领域 1

1.2研究目的及意义 1

第2章钛酸铝的结构、特性及其制备 3

2.1钛酸铝的晶体结构 3

2.2钛酸铝的基本特性 4

2.2.1低膨胀性 4

2.2.2低机械强度 4

2.2.3易分解性 5

2.2.4钛酸铝机械强度与热膨胀系数的关系 5

2.3钛酸铝的制备方法 5

第3章 钛酸铝陶瓷性能的影响因素 7

3.1钛酸铝陶瓷物相组成的影响 7

3.2钛酸铝陶瓷微观结构的影响 7

3.3钛酸铝陶瓷生产工艺的影响 7

3.3.1烧成温度的影响 7

3.3.2烧成气氛的影响 8

3.4添加剂的影响 8

3.4.1 Fe2O3对钛酸铝的影响 8

3.4.2 MgO对钛酸铝的影响 9

3.4.3 ZrO2对钛酸铝的影响 9

3.4.4 SiO2对钛酸铝的影响 9

第4章 钛酸铝复相陶瓷的烧结以及热力学性能 10

4.1钛酸铝/氧化铝复相陶瓷的烧结机理 10

4.2钛酸铝/氧化铝复相陶瓷的热力学性能 11

4.2.1 Al₂TiO₅／Al₂O₃的力学性能 11

4.2.2 Al₂TiO₅／Al₂O₃的热学性能 13

4.3钛酸铝/氧化锆复相陶瓷的性能 14

4.3.1 ZrO2对材料线收缩的影响 14

4.3.2 ZrO2对材料显气孔率的影响 15

4.3.3 ZrO2对材料热膨胀系数的影响 16

4.4含锂铝硅微晶玻璃的钛酸铝复相陶瓷的性能 16

第5章 耐热复相陶瓷的制备及其性能研究 18

5.1透锂长石概述 18

5.2透锂长石含量对陶瓷性能的影响 18

5.3实验配方设计 19

5.4制定烧成制度 20

第6章 研究对社会、经济、自然的意义分析 21

结论 23

参考文献 25

附录一 实验所用原料费用 27

附录二 测试及分析费用 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 低膨胀陶瓷的特点及应用

陶瓷材料的种类有很多，可以根据组成、用途、性能等进行分类。低膨胀陶瓷就是根据热膨胀系数来分的，与之对应的有高膨胀陶瓷和中膨胀陶瓷。其中，低膨胀类陶瓷材料的热膨胀系数为0≤α≤2×10^－6℃^-1（R.T～800℃）^[1]。常见的低膨胀陶瓷材料有堇青石低膨胀陶瓷、锂质低膨胀陶瓷、钛酸铝低膨胀陶瓷等。

低膨胀陶瓷材料的性质稳定，性能比其他类陶瓷更优越，所以在很多工业生产中都有应用。比如，堇青石低膨胀陶瓷除了具有低膨胀性能外，还有低介电性能，因此它被应用于汽车尾气净化的催化剂载体、红外线放射体、排烟脱氧装置。锂质低膨胀陶瓷抗热震性能非常好，而且化学性质稳定，因此被广泛应用于窑具、输电绝缘子、热电偶保护管、高温辐射挡板，以及家用耐热餐具等。 钛酸铝具有很高的熔点（1860℃），良好的抗热冲击性，低热膨胀系数、导热系数等一系列优良性能。钛酸铝陶瓷被广泛应用于汽车尾气净化装置、热交换器、热电偶套管、汽车排气管、耐火材料，以及军事工业等。

1.2 研究目的及意义

随着现代社会的不断进步，以及工业技术的不断革新，特别是汽车工业、冶金工业、航空工业等领域的迅速发展，耐高温、高抗热震的陶瓷材料在市场上供不应求。对于兼具上述两种性能，以及其他优良性能的陶瓷材料，国内外目前研究热点发现、同时也取得较多成果的有钛酸铝陶瓷。

钛酸铝（Al₂TiO₅）陶瓷是常见的高抗热冲击韧性的无机耐火材料，具有低热膨胀系数（0.2 * 10⁻⁶至10⁻⁶℃⁻¹）、高熔点（约1860℃）、耐高温、导热系数（0.9–1.5 W ·m⁻¹·K⁻¹）、低弹性模量、高硬度、高断裂应变、化学惰性、良好的耐腐蚀性和耐碱性能，且对大多数金属不润湿并且具有质量轻的特点。基于其优良特性，钛酸铝复相陶瓷被广泛应用于钢铁，陶瓷和耐火材料，冶金，玻璃，军事，以及生物医学和生物学应用等多个领域。但是，钛酸铝晶体的各向异性容易在材料内部产生裂纹缺陷，使其强度降低；而且在750～ 1280℃的温度范围内，钛酸铝易分解成氧化铝和二氧化钛，从而失去原有的优良性能^[2][3]。因此，钛酸铝陶瓷在性能改善上仍需要进行大量研究。

第2章 钛酸铝的结构、特性及其制备

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