采用CaO和TiO2为主要原料,通过引入CeO2作为添加剂,利用固相反应烧结工艺制备钛酸钙陶瓷。通过加入量不同的CeO2,在不同温度下对钛酸钙耐火材料各项性能的影响,由耐火砖厂家汇总整合分享。
1.CeO2掺杂对钛酸钙陶瓷耐火材料物相组成及结构的影响:
合成产物CaTiO3晶胞参数和晶胞体积随着CeO2加入量的增大呈现先增大后减小的趋势。
当CeO2加入量(质量分数)由0%增加到1%时,1300℃烧后试样中固溶相的晶胞参数增大。但是当CeO2加入量持续增大时,固溶相的晶胞参数逐渐减小。
1400℃烧后试样中固溶相的晶胞体积变化趋势,随着CeO2掺杂量进一步增大时,晶胞体积减小。
分析认为,CaTiO3晶胞中被掺杂离子取代位置的变化是造成上述趋势的主要原因。掺杂引入的Ce3+进入CaTiO3晶格内部将取代Ca2+的正常位置,而Ce4+与Ti4+之间也可发生置换并且形成有限固溶的置换固溶体。
当CeO2加入量(质量分数)小于1%,CaTiO3结构中Ti4+被Ce4+所取代,导致晶胞体积增大。
但是当CeO2加入量(质量分数)从1%增加到2%时,持续的固溶反应造成了CaTiO3结构中Ca2+被Ce3+所取代,Vca缺陷的生成是造成晶胞体积减小的主要原因。
值得注意的是,当CeO2加入量(质量分数)同为1%时,相比1300℃烧后试样,1400℃烧后试样的晶胞体积变化更为明显这可能是由于较高温度更有利于有限固溶反应的发生。
2.CeO2对钛酸钙陶瓷耐火材料烧结性能的影响:
陶瓷生坯的烧结收缩率在一定程度上可衡量试样的烧结性能。
随着CeO2加入量持续增大,试样烧后线变化率呈上升趋势。CeO2的加入使得CaTiO3结构中形成了Vca缺陷,缺陷造成的晶格畸变加速了体系内的离子扩散,为钛酸钙的合成和试样的烧结创造了条件。
其次,升高煅烧温度增大了试样的线收缩率。另外,煅烧温度的升高,增大了体系内热缺陷的浓度。晶格活化作用增强,加速了固相反应中合成钛酸钙的速率。
3.CeO2掺杂对钛酸钙陶瓷耐火材料显微结构的影响:
钛酸钙陶瓷耐火材料的致密化程度逐渐增加,孔隙率逐渐减小。说明CeO2的加可提高钛酸钙陶瓷的烧结性能。
随着煅烧温度的提高,CaTiO3晶粒尺寸增大,其生长方式为台阶式生长,台阶高度约为100nm。从这种现象可以了解到,CeO2的加入在一定程度上促进了CTiO3晶粒的生长,且由于晶粒的不规则形状,结构中晶界分离现象严重。
随着CeO2添加量的进一步增大,CaTiO3晶粒的形貌愈发规则,晶粒平均尺寸减小,整体结构呈现细晶微观形貌,试样更为致密。
当煅烧温度为1400℃时,试样出现不通的显微结构,有的内部晶粒的长大导致了明显的结构间隙,有的内部晶粒形貌发育较为完全,晶粒尺寸更为均匀。原因是Ce4+的置换作用为固溶提供了基础,晶格内部缺陷的生成,利于固相传质的发生,提高了固相反应中钛酸钙陶瓷耐火材料的烧结性能。
通过分析发现随着CeO2加入量的增加以及煅烧温度的升高,试样烧结性能得到提高。另外,随着CeO2加入量的增大CaTiO3晶胞参数以及晶胞体积呈现先增大后减小的趋势,其加入量(质量分数)为1%时,主晶相CaTiO3的晶胞体积和晶胞参数最大。CaTiO3晶体结构中取代位置发生改变是造成此变化趋势的主要原因。
CeO2可促进CaTiO3晶粒的生长,但当CeO2加入量(质量分数)为4%时,晶粒的生长得到抑制,且晶粒形状更为规则,整体结构更为致密。