自蔓延高温合成铝酸钙粉体的机理研究

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本论文以Al2O3、MO2、Al和CaCO3为原料,利用自蔓延高温合成法制备铝酸钙粉体。通过热力学计算,分析了反应的绝热温度,反应自由能及初始条件对合成铝酸钙粉体的影响。在热力学计算的基础上,讨论了MO2-Al-CaCO3-Al2O3体系各个反应发生的可能性;用燃烧波淬熄法(CFQ)对自蔓延高温合成铝酸钙的形成机理进行了研究,在一个被淬熄的试样中保留着有关反应过程中相转变和显微组织转变的所有信息;采用X射线衍射(XRD)对合成产物进行物相组成分析;利用差示扫描量热分析-热重分析(DSC-TG)测量了MO2-Al-CaCO3-Al2O3体系在反应过程中的热效应;采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察了燃烧合成产物和焠熄试样的微观组织结构,并用能谱仪(EDS)对微区成分进行分析。分析结果表明,铝酸钙粉体的自蔓延高温合成的反应过程可以用固相扩散机制来描述。可以得到SHS合成反应始于MO2分解释放的氧气和熔化的Al进行氧化反应生成Al2O3,CaCO3发生热分解生成CaO,随着反应温度的升高,通过钙离子的扩散作用,CaO与Al2O3反应优先生成中间相C12A7,随着反应的进行,生成的C12A7先后转化为CA2和CA,随着温度的升高,CA2也会转化为CA;最后,自蔓延高温合成产物由CA2和CA组成。另外,原料配比对燃烧合成产物的物相组成具有重要的影响,结果表明:MO2-Al-CaCO3-Al2O3体系,自蔓延高温合成的产物主要为CA2和CA,以及少量的C12A7和Al。而MO2-Al-Al2O3体系的燃烧合成产物中无Al的存在,当MO2、Al2O3和Al的配比中随A12O3含量增加时,燃烧合成产物为CA和CA2,以及少量的C12A7。再者,当Al2O3/(Al2O3+CaO)(mole)为0.55时,即MO2、Al2O3和Al的配比为37.50:53.13:9.38(质量比)时,燃烧合成产物只有CA和CA2。
摘要第3-4页
Abstract第4-5页
1 绪论第8-24页
    1.1 自蔓延高温合成简介第8-16页
        1.1.1 自蔓延高温合成的发展历程第8-10页
        1.1.2 自蔓延高温合成的原理第10-12页
        1.1.3 自蔓延高温合成的特点第12-13页
        1.1.4 自蔓延高温合成技术理论第13-14页
        1.1.5 自蔓延高温合成机理研究方法的现状第14-16页
    1.2 铝酸钙粉体的研究概况第16-21页
        1.2.1 二元体系相图及该体系相组成第16-17页
        1.2.2 铝酸钙材料的物理和化学特性第17-18页
        1.2.3 铝酸钙水泥的水化硬化机理第18-19页
        1.2.4 铝酸钙粉体的研究现状第19-21页
    1.3 本课题的研究意义及研究内容第21-24页
        1.3.1 研究意义第21-22页
        1.3.2 研究内容第22-24页
2 实验方法和实验过程第24-34页
    2.1 实验原料及仪器设备第24-25页
        2.1.1 实验用原材料第24页
        2.1.2 试验设备第24-25页
    2.2 自蔓延高温合成技术路线第25-26页
    2.3 绝热温度的计算方法第26-27页
    2.4 自蔓延高温合成实验第27-29页
    2.5 燃烧波焠熄实验第29-31页
    2.6 样品表征第31-34页
        2.6.1 X射线衍射分析第31-32页
        2.6.2 扫描电镜和能谱分析第32页
        2.6.3 热分析第32-34页
3 MO_2-Al-CaCO_3-Al_2O_3体系和MO_2-Al-Al_2O_3体系燃烧合成的热力学研究第34-40页
    3.1 引言第34页
    3.2 MO_2-Al-CaCO_3-Al_2O_3体系的热力学分析第34-36页
        3.2.1 MO_2-Al-CaCO_3-Al_2O_3体系绝热燃烧温度的计算第34-35页
        3.2.2 Al-Al_2O_3-MO_2体系绝热燃烧温度随Al_2O_3含量变化的关系第35-36页
    3.3 MO_2-Al-CaCO_3-Al_2O_3体系吉布斯自由能的计算第36-38页
    3.4 本章小结第38-40页
4 铝酸钙粉体SHS过程中的显微组织演变和反应机理第40-54页
    4.1 引言第40页
    4.2 燃烧温度和燃烧速度第40-41页
    4.3 淬熄试样各微区的矿物相组成分析第41-42页
    4.4 差示扫描量热-热重分析第42-43页
    4.5 铝酸钙粉体在SHS过程中的显微组织演变过程第43-51页
        4.5.1 未反应区的显微组织形貌第43-44页
        4.5.2 预热区的显微组织形貌第44-48页
        4.5.3 反应区的显微组织形貌第48-51页
        4.5.4 反应完全区的显微组织形貌第51页
    4.6 铝酸钙粉体在SHS过程中的反应机理第51-52页
    4.7 本章小结第52-54页
5 工艺参数对SHS铝酸钙粉体物相组成的影响第54-64页
    5.1 引言第54-55页
    5.2 燃烧合成反应的温度-时间曲线和燃烧波速度曲线第55-58页
    5.3 原料配比对燃烧合成产物的物相组成的影响第58-61页
    5.4 碳酸钙粒度对合成产物物相组成影响第61页
    5.5 显微结构第61-63页
    5.6 本章小结第63-64页
6 结论第64-66页
参考文献第66-74页
攻读硕士学位期间发表的学术论文第74-76页
致谢第76页
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