文|近史演绎

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从清洁能源生产高性能的新技术材料已成为全球需求。氧化铝/钛酸铝（铝2O3/铝2二氧化钛）复合材料是用于各种先进应用的高温预兆材料。在这部作品中，不同的艾尔·2O3/铝二氧化钛通过低成本工艺获得了具有高热性能和机械性能的复合材料，用于高温应用。

目标复合材料由煅烧氧化铝和从埃及黑砂中提取的金红石矿石在1650 °C/2 h的温度下通过无压烧结生产。将金红石添加到不同含量（0–40 wt%）的氧化铝中，以促进其烧结性和热机械响应。

研究了所制备复合材料的相组成、致密化、微观结构特征、力学和热性能等方面的评价。结果表明，添加少量金红石（10和20%重量）成功形成稳定的Al2O3/铝二氧化钛复合结构。然而，较高的金红石含量导致Al的形成二氧化钛丰富的基复合材料。

此外，通过增加金红石含量，获得了具有谐波微观结构和增强机械强度的高密度复合材料。仅添加10% wt金红石的复合材料密度最高，为3.6 g/cm最高冷破碎强度和破裂模量值分别为488.73 MPa和106.19 MPa。

值得注意的是，金红石的添加对促进所得复合材料在1400 °C高温下的热性能和热稳定性具有实质性影响。 研究表明，在氧化铝中添加金红石矿石是提高铝致密化和热膨胀的一种经济途径2O3适用于高温应用。使用含有一些热稳定剂的清洁来源，例如金红石矿石，如铁2O3铝2O3， SiO2， ZrO2和 MgO 代替纯 TiO2在改善反应烧结和产生高质量材料方面发挥了显著的作用。因此，烧结铝2O3/铝二氧化钛复合材料可以被认为是一种有前途的高温材料，用于高级应用。

如今，随着不同工业部门的不断发展，高温先进材料的加工已成为迫切的要求。已经确定高温材料是那些承受500-600°C范围内的温度环境的材料，因此，陶瓷和耐火材料被认为是高温应用最有希望的候选材料。

还发现，材料在高温应用中的适用性和可持续性取决于其高温热性能和机械性能以及生产成本。此外，从经济和工业的角度来看，这些高温材料面临的最关键问题之一是降低成本。因此，主要的挑战是以低成本获得具有高热性能和机械性能的高温材料。

最著名的高温陶瓷材料之一是氧化铝（Al2O3,A）. 它是一种众所周知的结构陶瓷材料，由于其优越的性能，可以广泛应用于各种应用领域。其中一些特性是高熔点、化学惰性、良好的耐腐蚀性、耐磨性、硬度、高绝缘性和易于加工。

然而，氧化铝的灾难性失效发生在急性热环境中，由于热变化复杂的大应力。此外，尽管氧化铝具有很高的机械强度，但其高热膨胀（α20–1000 °C= 8 * 10–6K）和导热性，限制了其在某些高温结构应用中的范围。此外，钛酸铝（铝2二氧化钛5AT）是一种有前途的高温陶瓷材料，具有出色的抗热震性、高耐腐蚀性和低热膨胀系数。因此，它被认为是各种恶劣热环境中的成功候选者，例如热处理技术、隔热、耐火材料、冶金、玻璃和汽车工业以及发动机部件。

此外，AT还用作陶瓷添加剂，以改善某些陶瓷复合材料的热性能和机械性能，此外，一些研究证实，将AT插入氧化铝陶瓷中可增强其断裂韧性和机械性能。这种增强是由于A和AT之间的热膨胀系数的巨大不匹配引起的局部残余应力，还发现，添加 Al2二氧化钛5到AI2O3复合材料导致形成了具有更好容错性能的新材料。

因此，将A和AT组合成一个复合结构将在增强氧化铝的热机械响应和克服AT陶瓷的显著问题方面发挥至关重要的作用，为先进的高温应用提供具有增强特性的新型定制材料。量身定制的 A/AT 陶瓷的功能和结构特性使其适用于广泛的高级应用，例如柴油发动机的排气过滤器组件、高温陶瓷基板、热电偶护套，以及热障涂层和其他应用。

有限的研究调查了A/AT陶瓷系统的制备和表征，在以前的这些工作中，A/AT陶瓷是通过A和二氧化钛（TiO）之间的固态反应获得的或A和AT的直接烧结，但是，纯T的生产成本相对较高，是一个复杂的过程。据我们所知，没有任何工作从清洁的天然来源获得A / AT结构。

此外，还报道了生产高温陶瓷材料的不同方法，如热压、火花等离子烧结、化学气相沉积、溶胶-凝胶处理、自传播燃烧合成等。这些技术需要复杂的加工和昂贵的起始材料。相比之下，无压烧结是一种非常简单且具有成本效益的方法。这是成型材料粉末的最简单方法，除了模具壁，重力和大气压力的限制外，不需要任何外力。它可用于耐火材料以及氧化物陶瓷或碳化物和氮化物材料的烧结。因此，从工业上估算无压烧结法是制备高效低成本先进材料的最合适方法。

另一方面，金红石是最普遍的矿物，主要由二氧化钛组成。它的折射率被认为是所有已知矿物中最高的折射率之一。它已被用于耐火材料和陶瓷材料的制造以及各种工业应用。研究发现，提取金红石的最佳经济方法是从矿砂中的风化沉积物中回收金红石。

此外，埃及黑沙含有几种经济矿物。金红石被认为是这些黑沙中极其重要的矿物质之一。来自埃及黑砂的大多数单个经济矿物，包括金红石，都可以通过使用不同的低成本和简单的技术（如湿重力浓缩和磁选技术）获得具有可销售品位和可接受的回收率，因此，从黑砂矿物中提取的金红石矿石被强烈认可为钛白粉陶瓷的主要来源。

一旦开采出含钛矿石（例如金红石），就必须将它们覆盖成纯氧化钛。TiO2的主要生产方法之一是氯化物工艺，其中可以使用金红石。这个过程需要大量的关键化学品和大量的能源。除了未反应的矿物或不同氯化合物的废物（固体或液体）外，氯化物操作还可以输出气态颗粒、氯和二氧化硫排放物。

根据纯二氧化钛的制造产生的各种问题，涉及高能源成本，危险化学品的消耗，产生大量的有害气体，酸性排放物以及废物，这可能对环境造成相当大的危害。强烈建议金红石矿石直接用于多个行业，因此，本工作的主要目标是以低成本和环保的方法合成具有优化的热性能和机械性能的高温工业陶瓷材料。

因此，先进的高温A/AT陶瓷复合材料首次由天然清洁来源和低成本加工生产。各种铝2O3/铝2二氧化钛5复合材料已被开发出来，具有高热性能和机械性能，适用于高温和高级应用。由煅烧氧化铝和从埃及黑中提取的金红石矿石在1650 °C/2 h的温度下进行固溶反应制备了所提出的复合材料。

将金红石添加到不同含量（0–40 %wt）的氧化铝中，以促进其烧结性和热机械响应。此外，使用清洁的天然来源，例如金红石矿石，其中已经含有一些稳定剂，如铁2O3铝2O3， SiO2， ZrO2，MgO在降低制备过程的成本和改性复合材料性能方面发挥了重要作用。对所制备复合材料的相组成、致密化、微观结构特征、力学和热性能进行了评价和分析。

在本研究中，我们考虑了从铝和钛氧化物源之间的固态反应制备A / AT复合材料。这项工作中使用的起始材料是高纯度（99.4%）煅烧氧化铝，主要粒径为d50= 9.227 μm。它由SALOX®M-1FG（GKE-MF），Silkem，D.O.O，Tovarniska cesta，斯洛文尼亚，欧洲提供。主粒径为d 的金红石矿50= 2.384 μm，来自北岸黑沙的选矿沉积物，埃及核材料管理局被用作 TiO 的来源。

起始和不同烧结复合材料的相分析由布鲁克D8先进X射线粉末衍射仪进行，具有Cu Ka辐射（k = 1.5406 Å）。X射线衍射仪附有半定量测量，以跟踪每种复合材料中的反应和相含量。分析XRF用于确定起始材料的化学成分。以乙醇为水介质的阿基米德浸没法获得了烧结复合材料堆积密度和表观孔隙率方面的致密化参数，ASTM C 373-72，198426.通过确定烧结前后试样的直径来计算不同复合材料的线性收缩率。

采用背散射电子（BSE）在场发射扫描电子显微镜配备了能量色散X射线微量分析仪（EDX）。在室温高达76◦C的温度范围内，使用膨胀法进行线性热膨胀（LTE）及其系数（CTE），加热和冷却速率为10°C/min。测量是在确定直径为5 mm，长度为35 mm的试样上进行的。还对所获得的复合材料的每种成分的三个试样进行了测量，最后取平均值。

随着氧化铝中添加10%wt的金红石，出现了一些相对较大的晶粒，证实了AT结构的成核和形成。众所周知，AT晶粒的尺寸比氧化铝陶瓷大。此外，毛孔粗大几乎消失，取而代之的是一些闭合的毛孔。10 R复合材料的微观结构显示出相当致密且均匀分布的晶粒，约为7-18 μm，以及非常小的氧化铝晶粒。

然而，那些在高金红石添加复合材料中，例如30 R和40 R，似乎显示出约10-20μm的稍大晶粒尺寸。此外，在这些高金红石复合材料中观察到一些形成的圆形和细长的颗粒以及等轴颗粒。金红石添加复合材料的烧结动力学增强与液相和AT第二相的形成有关，它们填充了孔隙并增强了致密化。

此外，氧化铝与AT的存在有望控制AT和氧化铝的晶粒生长，值得注意的是，添加量为10% wt的金红石时，氧化铝颗粒的大小几乎与未添加金红石的复合氧化铝颗粒相同（0 R）。相反，金红石含量高于20%wt和高达40%wt会导致AT的晶粒异常生长，最终导致微裂纹。

为了开发一种新型高温和先进材料，以跟上工业要求，各种铝2O3/铝2二氧化钛5复合材料是从天然清洁来源和低成本开发的具有高热性能和机械性能的。所提出的复合材料由煅烧氧化铝的固溶反应制成，并首次由从埃及黑砂中提取的金红石矿石在1650 °C/2 h的温度下制成。

将金红石添加到不同含量（0–40% wt）的氧化铝中，以促进其烧结性和热机械响应。通过增加金红石含量，获得了具有谐波微观结构和增强机械强度的高密度复合材料。含有10 %wt金红石的复合材料密度最高，为3.6 g/cm3CCS和MOR值最高，分别为488.73 MPa和106.19 MPa。

值得注意的是，金红石的添加对促进所制备复合材料在1400 °C高温下的热性能和热稳定性具有实质性的作用。 这是通过降低它们的热膨胀值来实现的，这反过来又增强了它们的抗热震性。

可以得出结论，使用清洁的天然来源，例如金红石矿石，其中已经含有一些稳定剂，如铁2O3铝2O3， SiO2， ZrO2，MgO在降低制备过程的成本和增强所制备复合材料的性能方面起着重要作用。这是这项工作背后的主要动机，鼓励使用清洁来源，而不是成本更高的纯化起始材料。因此，烧结铝2O3/铝2二氧化钛5复合材料可以被认为是一种有前途的高温材料，用于先进的结构和热应用。