耐火材料原材料之莫来石
发布日期： 2020-04-21 16:23:30 阅读量（2918） 作者：刘梓明莫来石同高铝矾土、刚玉等都是耐火材料常用的原材料，莫来石(3Al2O3·2SiO2)是Al2O3-SiO2系统中唯一稳定的二元化合物，图1为莫来石的晶胞示意图。从图中可以看出，其晶体结构月硅线石比较相似，其每个晶胞可以认为是由四个硅线石晶胞组成而来，莫来石晶胞中含有16个Al2O3-SiO2结构。
图1莫来石晶体结构
莫来石属于斜方晶系，由[AlO6]八面体以共棱的方式连结而成，[AlO6]八面处于每个晶胞(001)投影面的4个角顶和中心；[AlO6]八面体链在单位晶胞的z=l/2处与[SiO4]和[AlO4]四面体相连，组成的双链平行于和共棱连接一样，都平行于C轴。氧原子失去了原先[AlO4]四面体中的桥氧位，同时余下的Si，Al和O离子发了位移；而且四面体中的Al取代了Si的位置，关系如方程(1)。
2Si4++O2−→2Al3++□(1)
式中的“□”为氧空位。观察晶胞参数得知，莫来石晶胞中的C0值只有硅线石C0值的一半，因此可以推论硅线石四面体中的Al和Si属于有序排列，而莫来石四面体中的Al和Si是无序排列的。Holm和Kleppa经过红外光谱研究，以及热化学计算发现，莫来石四面体中的Al和Si的排列分布部分属于无序的。
（电熔莫来石）
Al2O3-SiO2二元系统相图如图2所示，可以看出莫来石固相可以稳定到1850℃左右。而根据Al2O3/SiO2的比值不同，可以形成Al4+2xSi2-2xO10-x固溶体，x值在0.2-0.9之间波动，对应的Al2O3含量在50%-90%之间波动。
图3Al2O3-SiO2二元系统相图
基于标准莫来石模型中，Al2O3含量为72%，饱和固溶体中Al2O3含量为78%、可以看出，莫来石固溶体中可以固溶6%的Al2O3。一般的无机硅酸盐材料中，尤其在工业生产条件下，莫来石多以不一致熔的状态存在，在其熔融或析晶过程中，转熔关系如方程(2)。
3Al2O3+2SiO2→Al2O3+L(2)
标准的莫来石(3Al2O3·2SiO2)结构的熔点可以到达1850℃。其材料的高温蠕变较小，硬度较大，耐化学腐蚀性能优异，广泛的用于耐火工业中。从图中明显看出，若含有的SiO2过量，高温熔点明显下降，形成液相温度较低；若材料中的Al2O3过多，其抗热震性能下降。针状莫来石在Al2O3-3Al2O3·2SiO2材料中交错排列，形成连续的网状结构，从而保证其在高温下依然拥有较低的热导率和热膨胀系数，其在耐火工业中有较好的运用市场。目前对于刚玉/莫来石材料在耐火材料行业中的运用有大量的研究工作，但对于该材料的实际使用的计算研究较少。
工业实际模拟计算可以指导研究人员对材料进行优化，尤其对于高温性能，仿真模拟可以帮助研究工作者了解材料的热力学参数对材料高温性能的影响，从而有针对性的改善材料性能，优化材料配方。
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