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镁铝尖晶石的晶体结构和性能

发布日期： 2020-07-16 10:09:11 阅读量（4848）作者：

镁铝尖晶石材料熔点高，导热系数低，热膨胀系数小，具有抗热震性好和抗渣蚀性强等优良性能，其作为原料被广泛应用于制备多种耐火材料产品中，在水泥、建材、钢铁冶金及玻璃等高温行业有着广泛的应用。

1、晶体结构

镁铝尖晶石理论组成为MgAl2O4或MgOAl2O3，其中Al2O3的质量分数为71.8%，MgO的质量分数为28.2%，Al2O3与MgO的质量比为2.55，其晶体结构属于等轴晶系，二阶阳离子充填于八分之一的四面体空隙中形成四配位，三阶阳离子充填于二分之一的八面体空隙中形成八配位，氧离子按立方紧密堆积排列。尖晶石晶体结构的显著特征是组分可被替代的形成固溶体。在高温下其化学计量配比范围较宽，在晶格没有变形、晶体结构不变及保持电化学平衡的状态下，较小尺寸其他离子可以大量代替Mg2+和Al3+。能够取代Mg2+的二价阳离子有Fe2+、CO2+、Ni2+、Mn2+、Zn2+、Cd2+等，能够取代Al3+的三价阳离子有Fe3+、CO3+、Cr3+、Ga3+等，从而形成铁尖晶石、锌尖晶石、锰尖晶石、铬尖晶石等多个品种，不同种类的尖晶石具有各自不同的性能特点。

2、镁铝尖晶石性能

镁铝尖晶石的性能由其结构决定，镁铝尖晶石结构中Al-O、Mg-O之间存在较强的离子键，且静电键强度基本相等，该结构较为牢固。因此，镁铝尖晶石具有熔点高、耐化学侵蚀、耐磨性好等优异的物理化学性能，成为一种重要的耐火材料原料。镁铝尖晶石晶体离子的饱和结构使其制品耐高温性能优异，抗化学侵蚀性能力强，抗热震性良好，对熔渣抵抗能力强，抗剥落性能好，在还原气氛或氧化气氛中都能表现出极高的稳定性。但是，由于Al2O3与MgO密度较大，反应生成的镁铝尖晶石密度较小，反应生镁铝尖晶石时体积膨胀5%〜8%，这导致尖晶石生成过程中难以进一步致密化。另一方面尖晶石本身再结晶能力较差，制约了合成致密镁铝尖晶石制品工艺的优化发展，这在一定程度上限制了尖晶石材料的高温工业生产及应用。

表1尖晶石、方镁石和刚玉的性能参数

MgAl2O4是一种中间化合物，尖晶石中存在较大范围的固溶区域，方镁石、刚玉与其共熔形成固溶体，生成富铝尖晶石、富镁尖晶石，从而表现出不同的特性。方镁石开始固溶于尖晶石的温度在1500℃，固溶量随着温度的升高而增加，在温度达到1995℃时，最大固溶量约为10%。刚玉与尖晶石的共熔温度大于1900℃，刚玉在尖晶石中的固溶量可达到20%以上。根据尖晶石的理论化学组成，Al2O3与MgO的质量比大于2.55，Al2O3富余形成富铝尖晶石的组成，而Al2O3与MgO的质量比小于2.55，MgO富余形成富镁尖晶石的组成。在尖晶石固溶体形成过程中，形成具有3Mg2+→2Al3+阳离子缺陷的异价置换式固溶体，在置换过程中通过金属离子和氧离子的空位保持电化学平衡，其被称为缺陷尖晶石。由于缺陷尖晶石与方镁石和刚玉共存，具有不同的化学组成，尖晶石或复合体的密度、结晶尺寸和烧结性等性能表现都有所差异。富镁尖晶结晶尺寸比富铝尖晶石小，富镁尖晶石气孔率较低，体积密度较高。