用镍矿矿渣制备泡沫玻璃的研究外文翻译资料

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轻质泡沫微晶玻璃可以由20%主要成分是硅酸盐的粉煤灰和80%的碎玻璃的混合物，在烧结的过程中还需要加入2%的SiC作为发泡剂制成。在不同的烧结条件下所得到的孔隙的形态结构，需要使用X射线进行显微断层研究。这种材料的表观密度为0.2-0.4g/cm^3，，孔隙率从70%到90%不等。材料的其他特性，如孔壁的厚度，尺寸和圆度，都与烧结的温度制度相关。最佳的烧结温度被认为是在1000℃到1050℃，在该温度下烧成得到的泡沫玻璃，孔隙率大约为75%，孔隙的大小较为均匀，并且在这个温度下得到的泡沫玻璃还具有1.5兆的令人满意的抗压强度和相对较高的抗热震性，并且随着淬火温度的增加，泡沫微晶玻璃的抗压强度逐渐减小。

关键词：粉煤灰，发泡剂，微晶玻璃，多孔材料，硅酸盐废料，X射线显微层析

介绍

因为对于加工制造业产生的大量的硅酸盐废物的处理问题的关心，在过去40年中，进行了大量的关于如何使用这些废弃物作为原材料生产玻璃以及微晶玻璃的可行性的研究。

各种方法已经被广泛应用于从硅酸盐废渣中烧结出微晶玻璃。已经可以使用的硅酸盐废渣包括粉煤灰，焚烧飞灰，冶金渣以及各类矿渣。这种材料一直非常注重实用性，生产了具有足够的机械性能的致密的微晶玻璃，与其它的便宜的材料在地砖墙砖，建筑板等建筑材料进行竞争，还可以生产出高度多孔的泡沫微晶玻璃。

多孔材料具有低密度，低热导率，高表面积，耐热冲击性好，比强度高等优良特性。因此，它们经常被用作热绝缘体，轻质结构部件，过滤器，吸附剂，气体传感器和热交换器。许多新型的技术已经在生产中应用，来生产具有开放或封闭的孔隙率的多孔材料。 通过在烧结材料的基质中加入空心玻璃微珠或者类似的材料，可以在材料中创造去球形或者接近球形的封闭孔洞。但是这种方法对于材料种类的组合有着限制。现在一般使用微波处理，通过在玻璃基质材料中产生足够的热量，来使气体在样品内部聚集，产生孔洞。同时通过降低温度让样品保持其形状，因此微波处理一般会使样品的表面温度更低。然而，这种技术对于样品的大小有着严格的限制。生产多孔材料的另一种方法由Hayashi提出，他通过灼烧球形聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）颗粒的方法制造出了可以自由控制孔隙率大小的多孔PTZ陶瓷。这种连续的多孔的聚合物已经取代了单独的聚合物颗粒，在从废弃物或者纯净物中制作连续多孔玻璃的研究中成为了制造孔隙的最好的材料。

迄今为止，制造多孔陶瓷的最简单的技术是在粉末烧结的时候加入发泡剂，这也是我们在这次试验的时候采用的方法。发泡剂可以在温度升高的时候产生气体，以此来增加材料的孔隙率。发泡剂有两大类，一种是液体，一种是固体。碳黑和石油焦都可以与陶瓷原料粉末混来来提高陶瓷的孔隙率。这种方法烧结成的陶瓷的孔隙的大小和形状主要由发泡剂的掺入量和原料粉末颗粒的粗细程度有关。因为发泡剂的结块问题，固体发泡剂没有办法制造出超细的孔隙（50mm孔径）但液体发泡剂就不存在这样的问题，比如液体石蜡，已经被用于在亚微米级别的粉末压制中创造极小的孔隙。尽管如此，为了保持工艺的简洁性和方便废弃材料的回收利用，在此研究中，仍将使用固体发泡剂和陶瓷粉末混合烧结的技术。多孔结构的良好的隔热隔声性能让它在这个方面被大规模应用，而微晶玻璃的良好的机械性能则可以提供足够的结构稳定性。

除了上述的固体发泡剂，各种含碳化合物以及碳酸盐已经被大量用作研究中。Abe等人通过向飞灰中加入粉煤灰，制成了多孔堇青石陶瓷，孔的大小和形状很大程度上和原料中使用的粉煤灰的颗粒度相关，因此这种陶瓷的孔径可以在50-1000毫米的范围内进行控制，阴极射线管混合大约5%的CaCO₃可以制作出泡沫玻璃。Gorokhovsky等人采取了一种类似的方法，在碎玻璃中掺入了5%的石灰石来进行泡沫微晶玻璃的制作。并且还有实验证明，碳化硅是一种非常有效的发泡剂，分解温度约为950℃到1150℃。碳化物可以在玻璃液中被氧化形成CO₂和CO，产生气泡并且维持气孔的形状。产生气体的反应方程如下：

SiC 2O₂→SiO₂ CO₂

SiC O₂→SiO₂ CO

如上所述，大量的如何从废料中生产出微晶玻璃，以及如何提升他的机械性能，热学性能，化学性能和物理性能的研究在这些年大量的进行着。因为观察到了泡沫微晶玻璃在性能方面有着足够的竞争力，人们有意将它作为一种取代现有的商用微晶玻璃或者充当建筑物的一般结构材料。由于废料成分的复杂性，原料的回收可能会变得更加困难，成本也会有所提高，但这一切作为将一些废弃材料转化为一种致密材料的过程，是不可或缺的。如果泡沫微晶玻璃的隔热和隔声的稳定性得到肯定的话，那么它将成为回收废料的一种好的可行的选择。现在的研究不仅仅应该仅仅局限于硅酸盐废料在泡沫微晶玻璃生产中的作用，而是更多的关注原料的通用性，使得这种方法可以在稍作参数调整之后就可以适用于不同类型的工业废物，如调整热处理过程中原料的配比，类型，发泡剂的种类和用量等。

本次实验将粉煤灰和碎玻璃混合作为原料，SiC作为发泡剂，

重点研究了生产过程中工艺条件的变化对于孔隙形态以及产品的结构的影响。本次实验的体系是建立在硅酸盐废料为原料的基础上的，这种体系起源于新西兰，但是这次试验的方法对于其他组合的废料仍然适用。在烧结的过程中，使得玻璃软化点温度和发泡剂的发泡温度相匹配，是让气泡的大小得到控制，并且最终保证孔隙率的关键。在试验的过程中也证明了XMT是研究多孔硅酸盐材料孔结构的一种重要的，无损的工具。虽然之前XMT就已经被用作测试硅酸盐生物活性玻璃和泡沫微晶玻璃，但是这还是一次被使用在测试由硅酸盐废物为原料制成的多孔微晶玻璃上，这也强调了XMT在对这样的材料的定量分析上的巨大作用。

实验步骤

原料

实验所用的粉煤灰由底灰和飞灰混合后风干形成，成分大约接近于新西兰的亨特利热电站的废料，成分大约为：59.2SiO₂–19.0Al2O3–7.5Fe₂O₃–8.7CaO–1.6MgO–1.5TiO₂–0.5K₂O–0.3Na₂O–0.3P₂O₅–0.1MnO。碎玻璃则由基督堂市的回收厂提供，这种钙钠玻璃的化学成分为72SiO₂–1Al₂O₃–9CaO–3MgO–15Na₂O。

由初步的实验可以得知，最佳的原料配比为80%的碎玻璃和20%的粉煤灰，在下文中用PA80G代替，这两种原料混合之后，成分大约为：65SiO₂–4Al₂O₃–2Fe₂O₃–13CaO–1MgO–0.5TiO₂–0.5K₂O–13Na₂O。

颗粒度大小在5-25毫米的SiC颗粒（龙沙工厂有限公司，瓦尔茨胡特田根，德国）作为发泡剂，在原料混合阶段加入大约2%至5%.

实验步骤

各组样品一式两份，在975-1150℃的温度范围内进行烧结，并且保温5分钟。升温速率为30K/min，冷却速率为10K/min。实验粉料在100兆帕的压力下进行冷压实，在管径为10毫米的钢管中被压制成0.3大小的小球。

物相组成

可以使用飞利浦PW1719 X射线发生器衍射仪发出铜钾射线，在15-65℃下扫描2小时，来对烧结出来的粉末样品进行晶向分析。每次扫描的步长为0.06°，每步2秒。将扫描结果与粉末衍射标准联合委员会（JCPDS）的标准相对照，通过对比峰的强度和位置，来确定烧结出的粉末的物相组成。物相分析和显微分析使用背散射电子（BSE）成像（JEOL JSM5610LV）和能量色散X射线分析（EDS）（JEOL JSM840），来进行扫描电子电镜的分析（SEM).

X射线显微成像和图像分析

X射线显微分析是一种利用X射线的穿透力来对样品内部的显微结构进行探测的无损测试方法。这是一种通过将样品放在旋转的试验台上，在旁边放置一个固定的X射线发生器，照出一系列2D的照片，并通过2D的照片来反推处样品的3D内部结构的测试方法。在测试的过程中，可以通过调节距离图像增强器的距离来增加或者减少放大倍数。但事实上，测试出来的图像的分辨率是由X射线所打在样品上的电子的焦点的大小决定的。本次试验所采用的仪器是由菲尼克斯X射线系统和服务公司所提供的，分辨率为1mm，实际允许分辨率为2mm三维像素的X射线层析分析仪。（在二维成像的图像的电视屏幕，计算机显示器或类似显示器上的组合物的基本单元的像素。同样，对于三维数字成像的基本单位是“voxel”，从词的组合导出lsquo;volumersquo; and lsquo;pixelrsquo;。）

菲尼克斯单元是专门用于小样品的三维检测，在本次试验中，每个烧结温度烧结出的样品（约56565立方毫米）被放置一个可旋转的样品台上，XMT对样品在975,1000,1050,1100℃的温度下进行热处理，每个温度热处理5分钟。由于样品的空隙尺寸较大，本次试验使用的是约10mm的三维像素。在这种分辨率下，大体积的样品也可以被扫描。最后取20个孔进行测量，取平均值来对样品进行分析，来减小统计误差。所得到的照片将在进行边缘裁剪和去除阴影后，使用 VGStudio Max 2.0 (Volume Graphics GmbH, Germany) 处理所得到的数据，来进行重建三维模型。除了可以得到孔隙的大小和形态外，平均孔径，粒度分布，孔隙率，真圆度/毛孔和壁厚的球形都可以通过实验数据分析得出。

要注意的是定量进行之前，所获取的二维和三维数据必须进行必要的处理。方法如下，首先，要把不想要的人工造成的干扰信息先过滤掉，使同一种材料看起来更加的光滑，不同种的材料的边界线变得更加的清晰。第二步使要讲得到的3D图像转换为黑白照片。图像处理的质量与使用的滤波器的质量有着重大的关系。最后，对于这个特定的试验，样品中的孔的互相连接会导致对真实孔径测量的不准确。因此，关于对图片进行扩张和移除的工作就显得非常重要了。

该方法将添加（扩张）或移除（侵蚀）一定数量的像素在特定的表面上（如在一个白色像素为主矩阵的黑色象素的特征）上，具体的操作要根据实验材料的特点来进行。作为进行扩张操作的结果，样品中孔与孔的内部连接所产生的空隙，将沿着孔壁继续生长，也就是说，较小的孔会被关闭。而侵蚀的操作则可以让孔回复到关闭的初始状态，更容易测出其真实的孔径。这些操作的实质是使用图像工具和VGStudio对图像边界上的像素进行修改，使图像变为我们更方便处理的形式。

泡沫微晶玻璃的性能

材料的表观密度是对一个10times;10times;10的试样（标准试样）在不同的加工条件下进行测试来得出的。烧结除的材料的抗压强度在Zwick台式压缩试验机上以5mm/min的速度，10千牛的负载的条件下来进行测量。每种组分的配料以及不同的热处理条件，都要测至少两组样品，每个标本用钢锯切割成10-12毫米大小的立方体，并且在研磨纸上进行打磨。泡沫微晶玻璃的抗热冲击性主要由淬火温差决定，即炉膛温度和水淬水温的差别。重复水淬多次，让样品的温度在175-700℃范围内进行骤冷，持续5分钟。选取25mm长， 直径为5mm的样品，使用热膨胀法测出样品的热膨胀系数。

结果与讨论

物理性质

在1000 和1050℃烧结处的泡沫体的典型结构示于图1.生产过程中产生的泡沫微晶玻璃材料因为孔隙率极高，所以密度很低，非常的轻便。这种泡沫材料的凝聚度非常的地，材料内部的孔较大，呈现在相对均匀的多孔结构。

随着烧结温度从1050℃升到了1100℃，材料的表观密度也从0.35g/cm3下降到了0.18g/cm3,这一现象与图2中XMT测试出的材料的孔隙率随着烧结温度的增加而增加的曲线是相一致的。对在1000℃下烧结的样品，使用了热膨胀法测出了他的热膨胀系数（CTE），在30℃到500℃中，CTE均稳定在8.6times;10^-6/K。

物相分析

起始原料，PA80G,主要成分为无定形态物质，还夹杂了很少的来自粉煤灰和碎玻璃的石英晶体。通过对于PA80G和加入了2%的SiC发泡剂的PA80G，进行宏观的XRD分析，会发现无论热处理的温度为多少，样品中的主要晶体相均为硅酸盐-2M (CaSiO3) (JCPDS-ICDD 27-0088)。结晶度（硅灰石结晶在矿井材料的体积百分数）为约15％，尽管在不加发泡剂时，原料中包含了大量的SiO₂的成分，通过图像分析，发现样品中没有发现SiO₂的相。

SiO₂的消失可以用下面这个反应方程式来进行解释：

SiC 2SiO₂→3SiO CO

因此可以看出存在着在较高的烧结温度下，SiC晶体和SiO2反应，生成了SiO和CO。所以，在加入碳化硅或者不加入碳化硅的情况下,尽管Ca的含量很低，仍可以假设部分SiO2进行反映生成了CaCO3。此外还发现，当烧结材料中的SiC含量为5%的时候，烧结出的样品的SiC残余量要比2%的SiC时候要多，这说明了在相同的处理条件下，SiC的反应程度主要由反应时间和其他基体材料所限制的，而非SiC的含量所决定，增大SiC的含量并不能显著改变样品中的SiC的掺

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