合成堇青石的反应过程
发布日期： 2018-01-29 00:00:00 阅读量（1075） 作者：对(高岭土+滑石)和(高岭土+滑石+ Al2O3)配料体系合成堇青石的研究表明，堇青石的形成过程分两个阶段： 在1250〜1300℃间有一形成高峰，此为第一阶段：1350〜1400℃间堇青石大量形成，此为第二阶段，两个阶段的温度区间与所用原料的纯度有关。由于Al2O3的引入，使堇青石的形成范围变得非常之宽。
上述形成过程可由(高岭土+滑石)的反应模型加以解释。在MgO-Al2O3-SiO2三元系统内，最低共熔点正好位于偏滑石(脱水滑石)一一偏高岭石(脱水高岭石)的连线上(图1所示)，堇青石的组成(MgO:Al2O3:SiO2=2:2:5)也可理解为低共熔点成分E与莫来石的混合物。1355℃这一低共熔温度在使用天然原料时通常还可以降低100℃以上。
滑石与高岭石颗粒都具有片状特征，层状的滑石和高岭石在混合与成型过程中趋向于形成平面团聚(图2a)。两者接触面积愈大，低共熔点液相的形成范围就愈大。所形成的液相逐渐侵蚀和溶解毗邻的固相，使整个材料的结构都发生破坏。由于滑石与高岭石之间的固相反应开始于1100℃，如果升温较慢(有充足 的时间)在两者的接触边缘区域也有堇青石晶体形成(图2b)。
由化学反应式计算可知：偏滑石与偏高岭石反应形成堇青石时会同时出现SiO2。假定堇青石组成为2MgO·2Al2O3·5SiO2，则每形成1mol的堇青石就会产生1.7mol的SiO2。若根据相图，滑石与高岭石的反应产物组成为2MgO·1.4Al2O3·4.5SiO2的高硅堇青石(MC)，则形成的游离SiO2为0.9mol。除了两者反应会形成富余SiO2外，滑石转化为原顽火辉石以及偏高岭石转化为莫来石也都会产生富余的SiO2。
只有当Mg2-和Al3-等扩散迁移到各自相应的反应前沿时，才会使原来被滑石和高岭石占据的区域形成堇青石区。而未参与反应的外围高硅液相包裹体显著阻止Mg2-与Al3-的扩散。继续加热时，由于反应参与物被高硅液相隔开，低共熔反应也会被大大减缓。
图1 MgO-Al2O3-SiO2系统的低共熔点
图2 (滑石+高岭石)的化学反应转变过程
在扫描电镜下可见(图3a)，在容易扩散一侧(滑石侧)的有限范围内，滑石与高岭石的界面上有堇青石晶体：图3b 为局部放大，可见其晶体呈六方对称，证明是高温型印度石(但习惯上称之为堇青石)。堇青石结晶区与滑石之间的SiO2玻璃相在制样时被HF酸所溶解，故出现裂缝或间隙。在相反的方向即图3的下部，堇青石晶体的轮廓线已渗入液相固化区，因而可以推测形成茧青石所需的Al3-仅来自于附近区域。扩散穿过液相固化区的Mg2-显然导致形成高粘度的Mg-Al-硅酸盐玻璃相，在某种意义上讲堇青石的不一致熔产物又转变为英来石与液相(此处为玻璃相)。液相固化区逐渐析出堇青石晶体及高硅液相中SiO2的充足促供，使得析出的堇青石相当不稳定，而成为化学组成为2MgO·1.4Al2O3·4.5SiO2的酸性混晶。
图3 滑石与高岭石的界面反应(1400℃缓慢加热)
由以上反应模型的分析可知，滑石与高岭石在低温阶段(第一阶段)即可形成堇青石， 但由于高硅液相包裹体显著阻止Mg2-和Al3+的扩散，使形成堇青石的反应大大减缓;但随温度升高，高硅液相粘度下降，Mg2-、Al3-扩散速度增加(添加Al2O3时更是如此)，而且含镁硅酸盐相与高硅包裹层反应而熔化(堇青石-方石英为1420℃，原顽火辉石-方石英为1543℃，实际上由于原料不纯，这一熔化温度更低)，使堇青石的生成量大大增加，即在1350℃以上的第二阶段，整个微观结构区域形成的都是堇青石。
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