纳米组分优化对陶瓷结合剂耐火度的影响研究

刘鑫鑫，刘世凯，张吉祥

(河南工业大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

纳米组分优化对陶瓷结合剂耐火度的影响研究

刘鑫鑫，刘世凯*，张吉祥

(河南工业大学材料科学与工程学院，河南郑州450001)

以硼铝硅酸盐为基础体系，运用正交实验的方法，不改变原始配方，把结合剂中Al2O3，SiO2，CaO成分部分替换为纳米Al2O3，纳米SiO2，纳米CaO，以陶瓷结合剂耐火度为正交试验性能指标，研究了纳米组分优化对陶瓷结合剂耐火度的影响。结果表明：纳米组分对耐火度的影响由强到弱依次为：纳米Al2O3、纳米SiO2、纳米CaO;第七组配方(即纳米Al2O3为2%，纳米SiO2为4%，纳米CaO为1%)对耐火度的影响最大，相比基础陶瓷结合剂降低了100℃，达到730℃。

组分优化；纳米材料；陶瓷结合剂；耐火度

进入“十三五”以来，我国对工业的发展提出更高的要求，并设定了中国工业制造业发展大战略。然而我国制造业基础仍然落后的现状成为其向高端发展的瓶颈，主要原因是对材料的加工设备不先进以及加工精度水平较低，难以达到较高的要求，国内对高速、高效、高精密加工工具的发展相对较落后，高精度加工设备等与国外发达国家相差甚远[1]。因此，大力发展材料的加工工具对提升我国材料加工水平及国际竞争力意义深远。

加工工具种类繁多，其中陶瓷结合剂磨具是其中之一。陶瓷结合剂磨具有高强、耐磨、自锐性好、效率高、寿命长等优异的性能[2]。但是，传统陶瓷结合剂磨具性能仍不足以满足现代的加工要求，结合剂作为陶瓷磨具的重要组成部分，结合剂的性能对磨具有着关键性影响。而结合剂耐火度作为其一项重要性能指标，因此对结合剂耐火度的研究势在必行。耐火度是指结合剂在高温软化时的温度。若耐火度过高会导致磨具的硬度和强度降低，影响磨具的使用性能。目前，国内外学者主要研究了纳米添加对陶瓷结合剂耐火度的影响。侯永改等[3]研究了纳米氧化锆对结合剂耐火度的影响，当纳米氧化锆添加量逐渐增大时，耐火度先下降后上升。王艳辉等[4]研究了纳米添对陶瓷结合剂影响，结果表明纳米添加降低了耐火度。但是，目前对陶瓷结合剂自身组分优化对其耐火度的研究还很少。本实验不改变原始配方，运用正交实验设计方法，研究了纳米组分优化对陶瓷结合剂耐火度的影响，为得到性能优异的陶瓷结合剂配方。

1 试验

1.1 试验原料及玻璃料的制备

以分析纯氧化硅、氧化铝、氧化钙、碳酸钾和碳酸钠为原料，按照配方混合均匀，在一定压力下，用8字模具压成八字块，经投料到坩埚中高温熔炼，急冷，在干燥箱中进行干燥，然后放入球磨罐中进行球磨至200目以细，得到基础陶瓷结合剂粉。

1.2 正交实验设计

本试验为3水平试验，选用Ln(3m)型正交表，本试验共有三个因素，分别为(A)纳米氧化铝、(B)纳米二氧化硅、(C)纳米氧化钙，所以选用L9(34)型正交表来安排试验。正交试验设计具体如1所示。

表1 正交试验设计

根据表1的试验方案，进行试验过程。

1.3 试样制备

把熔炼过的陶瓷结合剂粉称量，再和一定量纳米氧化硅、纳米氧化铝和纳米氧化钙进行混合，考虑到纳米材料不易和其它材料混合均匀的特点，用分散剂乙醇进行分散，然后经过干燥箱干燥，再加入一定比例的PVA，再次混合均匀，经一段时间焖料，用模具压制成Φ8mm×8mm的圆柱试样，经过在干燥箱干燥，取出试样以待测定耐火度。

2 结果与讨论

2.1 结合剂耐火度的研究

本次试验每组试样的耐火度具体数值如表2所示， 其中0组为基础陶瓷结合剂对照组，从表2中可以看出，第7组样品的耐火度最低，为730℃，第1和第3组试样耐火度最高，相比于对照组试验基本无变化。相比于前面几组样品，后面的几组样品的耐火度有显著的降低，对照前面试验设计的配方表后面几组样品中的纳米Al2O3添加量较大，因此可初步推断纳米Al2O3的添加相比于其他两种纳米添加物对于结合剂耐火度的影响更大，且随着纳米Al2O3添加量的增多，耐火度更低。

表2 耐火度

2.2 结合剂耐火度的正交分析

2.2.1 耐火度

如表3所示，通过过极差分析法可知：(1)纳米组分对耐火度的影响由强到弱依次为：纳米Al2O3、纳米SiO2、纳米CaO，其中空列的极差大于纳米氧化钙的，这表明不同因素之间存在交互作用，进行相关研究需进一步考虑；(2)以耐火度为指标，最优化方案为A3B3C2(纳米Al2O32%、纳米SiO24%、纳米CaO 1%)，即第7组配方。

表3 耐火度的正交表

表3(续)

2.2.2 因素趋势图

图1 耐火度因素趋势图

从图1(a)可以看出，纳米氧化铝可以有效的降低耐火度而且随着含量增加，耐火度降低速度变缓。图1(b)图为纳米氧化硅耐火度趋势图，图中随着纳米氧化硅含量增加，耐火度有所提高，把纳米氧化硅含量提高为4%时，反而有明显下降。图1(c)图为纳米氧化钙因素趋势图，随着纳米氧化钙含量增加，耐火度出现先降后升的现象，并且提高的不是很明显，由此看出，纳米氧化钙为1%时，其对降低耐火度影响最大。

3 结论

(1)纳米组分对耐火度的影响由强到弱依次为：纳米Al2O3、纳米SiO2、纳米CaO。(2)第七组配方(即纳米Al2O3为2%，纳米SiO2为4%，纳米CaO为1%)对耐火度的影响最大，相比基础陶瓷结合剂降低了100℃，达到730℃。

[1] 袁巨龙, 张飞虎, 戴一帆,等. 超精密加工领域科学技术发展研究[J]. 机械工程学报, 2010, 46(15):161-177.

[2] 刘鑫鑫，刘世凯，邓士炜.超硬磨具纳米陶瓷结合剂研究进展[J].超硬材料工程 , 2016 , 28 (6) :46-49.

[3] 侯永改，田久根，马加加，周青海.纳米氧化锆对金刚石磨具用陶瓷结合剂结构与性能的影响研究[J].硅酸盐通报, 2015 , 34 (2) :530-534.

[4] 王艳辉，张向红，葛恩报，等．纳米陶瓷结合剂超硬磨具的制造工艺[J]. 超硬材料工程，2009, 21(2):12-15.

(本文文献格式：刘鑫鑫，刘世凯，张吉祥.纳米组分优化对陶瓷结合剂耐火度的影响研究[J].山东化工，2017，46(16)：36-37，43.)

Effect of Nano Component Optimization on Refractoriness of Vitrified Bond

Liu Xinxin, Liu Shikai*, Zhang Jixiang

(School of Materials Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001,China)

Using Boron aluminum silicate as basic system ,the research replaced the part Al2O3, SiO2,CaO of the original formula With nano Al2O3, nano SiO2, nano CaO without changing the composition of the original binder formula,then we instituded effect of nano component optimization on refractoriness of vitrified bond by method of orthogonal experiment. The research results show that the influence of nano composition on refractoriness is from nano to nano Al2O3, nano SiO2and nano CaO. And the content of nano Al2O32% ,nano CaO 1%, nano SiO24% is the optimum scheme of nano component of nano vitrified bond,and the minimum refractoriness 730℃.Mainwhile, its refractoriness is 100 degrees lower than the basic vitrified bond.

component optimization; nano material; vitrified bond ; refractoriness

TQ174.1

：A

：1008-021X(2017)16-0036-02

2017-06-08

河南省科技厅自然科学项目(152102210271)；河南省教育厅自然科学项目 (14B430019)

刘鑫鑫(1990—)，河南商水人，河南工业大学材料学院硕士研究生, 主要从事纳米陶瓷结合剂的制备及应用研究；通讯作者: 刘世凯(1979— )，河南登封人，博士，河南工业大学材料学院副教授，主要从事纳米技术在超硬材料和磨料磨具中的应用研究。