单相胶莫来石化反应机理的研究

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莫来石因其具有优异的高温力学性能、耐高温冲击性、低的热膨胀系数和化学稳定性,在传统的高温结构陶瓷中被广泛的应用,而其较低的介电常数和优良的中红外透波性能,又使其具有发展成为功能陶瓷的潜能。本文采用溶胶-凝胶法成功合成了第一类莫来石前驱体粉,利用热力学理论与动力学软件研究了单相胶莫来石化固相反应的反应机理,并得到了反应速率方程,为科学研究和实际生产提供了理论依据。本文以正硅酸乙酯、九水硝酸铝和无水乙醇为原料,采用溶胶-凝胶法合成了第一类莫来石前驱体粉,并用同步热分析、X射线衍射和扫描电镜进行了验证。从以上测试手段的分析可知,溶胶-凝胶法制备的第一类莫来石前驱体粉在985℃左右得到的莫来石是一种假四方相结构的富铝莫来石,随着热处理温度的升高,逐渐向组成为3Al2O3·2SiO2结构稳定的正交相莫来石转变。为了揭开单相胶莫来石化的反应机理,本文设想假四方相莫来石的化学组成为2Al2O3·SiO2(Al2O3含量约为67mol%),首次从热力学角度上说明了它的合理性,并给出了假四方相莫来石相关的热力学数据,结果发现:非晶态SiO2与非晶态Al2O3在固相反应点,先生成假四方相莫来石的倾向程度确实比正交相莫来石要大,并得到单相胶莫来石化的热力学过程:溶胶-凝胶→单相胶约985℃→假四方相莫来石+富Si相随着温度升高→正交相莫来石研究了样品粒径与样品质量对热分析曲线的影响规律。本文借助动力学软件并采用优化过的热分析实验条件对单相胶进行了动力学分析。研究结果表明,单相胶莫来石化最可能动力学模型为A1→B2→C,第一步反应类型为An,动力学机理函数为f (a)=n (1-a)[-ln(1-a)]n1/n,活化能E为982KJ/mol,n为4.38;第二步反应类型为D3,动力学机理函数为f (a)=3/2(1-a)2/3[1-(1-a)1/3]1,活化能E为998KJ/mol。并利用动力学软件中动态反应预测模块对比了实际测量曲线与所选模型曲线,结果发现,经动力学软件得到的单相胶固相反应机理的“动力学三因子”是可信的。
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