一、堇青石、莫来石矿物特性

1. 堇青石

堇青石（Cordierite）化学式为2MgO?2Al2O3?5SiO2，理论组成MgO13.7%， Al2O3 34.9%, SiO2 51.4%。具有开采价值的天然堇青石矿床极少，工业上使用的也均为人工合成产品（烧结法或电熔法）。堇青石比重2.57-2.60g/cm3，分解温度1460℃，具有较低而均匀的膨胀系数1.5×10-6K-1（25-1000℃）。

2. 莫来石

莫来石（Mullite）化学式为3Al2O3?2SiO2, 理论组成Al2O3 71.8%，SiO228.2%，因为天然矿物最早发现于苏格兰西海岸的莫尔岛(Mull)而得名。工业上使用的莫来石均是通过烧结法或电熔法而得到的人工合成产品。莫来石理论密度3.20g/cm3，熔点1870℃，膨胀系数5.3×10-6K-1(20-1000℃)，其膨胀均匀，热震稳定性好，是一种优质的耐火原料。

堇青石晶体结构	莫来石晶体结构

二、堇青石-莫来石材料

1．微观结构特点

广东热金宝所生产的堇青石-莫来石制品是由堇青石、莫来石和玻璃相所组成的复合材料，堇青石含量30-70%，莫来石含量20-60%，玻璃相5-30%。莫来石形成复合材料的骨架，堇青石和玻璃相包裹、充填在莫来石骨料四周（如图3所示）。在堇青石的形成过程中，其所用原料中的结晶水挥发和碳酸盐分解，在其结晶集合体中留下大量的结构孔洞。此类孔洞可以吸收材料受热膨胀过程中所产生的热应力。在结构中，莫来石的针状结构使材料具有良好的韧性和抗高温变形能力。这种复合材料结构充分发挥了莫来石耐高温性能好和堇青石膨胀系数低的特点。

图3

2.物理性能 

堇青石和莫来石在复合材料中的比例可以根据材料的使用条件和成型工艺进行调整，因此其各种性能也会在一定的范围内变化。一般堇青石-莫来石材料体积密度1.75-2.05 g/cm3，显气孔率22-32%，吸水率11-19%。其莫氏硬度6-7.5，因此采用金刚石工具很容易对其切割、磨削、钻孔的各种机械加工。常温耐压强度40-80MPa，常温抗折强度9-20MPa，弹性模量10-30GPa，故日常运输、存放、安装并不需要特殊的防护，但应避免相互或与硬性物品的磕碰。

3．化学性能

广东热金宝堇青石-莫来石复合材料主要化学成分为Al2O3 32-45%、SiO2 60-35%和MgO 5-9%，其它还含有少量的Fe2O3、TiO2、CaO、K2O、Na2O等，其重金属离子和有机物如镉、铅、汞、六价铬、多溴联苯（PBBs）和多溴联苯醚（PBBEs/PBDEs）含量均符合欧盟和美国标准，可以用于食品工业的炉具、比萨炉托板等。 材料整体呈非常弱的酸性，因此耐酸性较好，但不易与强碱长时间接触特别是在高温下。

4．热学性能

堇青石-莫来石材料在20℃时的比热0.9-1.1kJ?kg-1?K-1，因此蓄热量不大。20-1000℃温度区间内的导热系数0.9-1.5W?m-1?K-1，1250℃时的抗折强度为9-18MPa，荷重软化点T2在1380-1420℃左右。其最高工作温度也与其形状、荷载、支撑方式、工作气氛等有关，一般在中性和氧化气氛下可以使用至1350℃，在弱还原气氛下可以使用至1200℃，不适合用于较强的还原气氛中。 由于堇青石具有很低的热膨胀系数且在复合材料中作为结合相的多孔结构，与膨胀系数较高的莫来石骨料之间存在热失配现象，致使堇青石-莫来石材料在20-1000℃下的膨胀系数仅为2.0×10-6-3.2×10-6K-1，因而其具有非常优异热震稳定性，这也是其被大量用于工业窑炉的主要原因。

5．工艺性能

青石-莫来石材料通常采用合成莫来石、合成堇青石、高可塑性粘土、氧化铝和镁质矿物原料等配合，其坯体具有良好的可塑性，可用液压压制、真空高压挤出、泥浆浇注、塑压、滚压等各种成型方法以制成各种形状，而且其干燥收缩和烧成收缩可以控制，所以可以生产形状特别复杂和大尺寸的各种工业陶瓷制品。

三、窑具性能的评价

通常会采用以下技术指标来评价堇青石-莫来石材料的性能；

1. 化学成分

化学成分是窑具材料的最基本特征。按各个化学成分含量的多少和作用将其分为两部分：占绝对多量的主要成分和占少量的副成分。副成分包括原料中伴随的有害杂质成分和在窑具生产过程中为改善性能或易于生产而特别加入的添加成分。有时还要测定其烧失量（LOI），即将在105-110℃烘干的材料在1000-1100℃灼烧后失去的重量百分比。

堇青石-莫来石窑具的主成分为SiO2、Al2O3和MgO，有害杂质成分主要有Na2O、K2O、CaO、Fe2O3和TiO2，LOI几乎为零。

2. 矿物组成

用于生产窑具的各种原料经混合后在一定的工艺条件下（如烧成）会发生化学反应，形成新的矿物相。尽管化学成分完全相同，由于工艺条件的不同，所形成的矿物种类、数量、结晶状况可以完全不同，致使材料性能的差异也较大；即使矿物组成相同时，其矿物的结晶大小、形状和分布的不同，也会对窑具的性质产生显著的影响。堇青石-莫来石窑具通常由堇青石、莫来石和玻璃相所组成，堇青石含量30-70%，莫来石含量20-60%，玻璃相5-30%。

3. 体积密度

体积密度是指材料的质量与其总体积之比，通常用g/cm3表示，也有用Kg/m3或吨/立方米表示的。总体积包括固体材料、开口气孔和闭口气孔的体积总和。体积密度有时也称作容积重量或容重。体积密度直观的反应了窑具的致密程度，是窑具的重要技术指标，也是计算窑具理论重量的必不可少的数据。国家标准GB2997和国际标准ISO5017规定了致密耐火材料体积密度的测定方法，窑具体积密度的测定也遵照此标准进行测定。堇青石-莫来石窑具的体积密度一般在1.75-2.05 g/cm3之间。

4. 气孔率

气孔率与体积密度、真密度等都是评价窑具重要质量指标。气孔率与体积密度关系密切,它除窑具的烧结程度外,还与窑具的其它性能如机械强度、热膨胀、抗侵蚀性能及导热性有一定关系。

窑具中的气孔可分为两大类:即开口气孔与闭口气孔。开口气孔至少有一端与外界相通,而闭口气孔则封闭于材料之中,与外界不连通。通常认为窑具的气孔中只有贯通气孔对窑具的耐侵蚀性影响明显,闭口气孔影响较小。气孔率的测定也是按照国家标准GB2997和国际标准ISO5017与窑具体积密度一起测定的。闭口气孔体积难于直接测定，因此通常用显气孔率来表示。堇青石-莫来石窑具的显气孔率一般在22%-32%之间。

5. 吸水率

吸水率是材料中所有开口气孔所吸收的水的质量与干燥材料的质量之比值。它是反映材料中开口数量与体积的一个技术指标，可以在一定程度上反应窑具的烧结程度。它也是根据国家标准GB2997和国际标准ISO5017，与体积密度、气孔率一起测定。堇青石-莫来石窑具的显气孔率一般在11%-19%之间。

6. 耐压强度

耐压强度是指一定温度下，材料单位面积上所能承受的极限荷载，是反映窑具机械性能的主要指标之一，简接地反映出窑具的组织结构如致密性、均匀性、烧结程度等。通常分为常温耐压强度和高温耐压强度，常温耐压强度是指窑具在室温下测定的数据；将窑具试块加热至某一指定温度（通常为1250℃）进行加压试验，所得结果即为高温耐压强度。 堇青石-莫来石窑具结构细致、均匀性好，常温耐压强度较高，一般可以达到40-80Mpa。但是由于窑具通常是由于承受弯曲应力而产生变形、开裂等，因此抗折强度更多用于衡量窑具的承载能力。

7. 抗折强度

抗折强度是指一定温度下，材料单位面积上承受弯矩时的极限折断应力，又称抗弯强度、断裂模量，是窑具的最重要技术指标之一，能反映出窑具实际使用时的承载能力和抗变形能力，是确定棚板类窑具产品厚度的最重要依据，也能间接判断出窑具的寿命。窑具的颗粒级配、气孔的大小和数量、组织结构的均匀性、颗粒间的结合程度等是决定窑具抗折强度的重要因素。通常分为常温抗折强度和高温抗折强度，常温抗折强度是指窑具在室温下测定的数据；将窑具试样加热至某一指定温度（通常为1250℃）并保温一定时间（通常为30分钟）进行抗折试验，所得结果即为高温抗折强度。 国家标准GB3001和GB3002分别规定了耐火制品常温抗折强度和高温抗折强度的测定方法。耐火窑具也适应上述测定方法，但是由于窑具外观尺寸的特殊性，取样尺寸比标准规定的尺寸要小，但对测定结果影响不大。堇青石-莫来石窑具的常温抗折强度一般在9-20Mpa之间，1250℃抗折强度在9-18Mpa之间.

8. 膨胀系数

热膨胀是指材料体积或长度随温度升高而增大的性质，有体膨胀系数与线膨胀系数之分。窑具性能评价通常使用线膨胀率和线膨胀系数来衡量其高温下的体积稳定性。线膨胀率是指由室温至设定温度间，试样长度的相对变化率；线膨胀系数是指由室温至设定温度间，每升高1℃，试样长度的相对变化。需要指出，热膨胀系数并不是一个恒定值，而是随试验温度而变化，所以它是指定温度范围?t内的平均值。因此，在使用这一数据时，必须注明它的温度范围。

低的膨胀系数（20-1000℃范围内2.0×10-6℃-1-3.2×10-6℃-1之间）是堇青石-莫来石窑具的最主要特征，也是其具有优异热震稳定性从而具有较长使用寿命的主要原因。

9. 导热系数

导热系数是衡量材料热量传导能力的指标，单位为W/m?K,它代表在单位温度梯度下,通过材料单位面积的热流速率，也称热导率或导热率。

窑具中包含的气孔数量、大小、形状及分布等对导热系数都有影响。气孔内的气体导热系数低，因此在一定的温度限度与气孔率范围内，气孔率愈大则导热系数愈小。温度也是影响导热系数的一个基本因素，因此在使用这一数据时，也必须注明它的温度范围。堇青石-莫来石窑具的导热性不好，20-1000℃温度区间内的导热系数0.9-1.5W/m?K；作为对比，碳化硅窑具在1000℃时的导热系数一般在15-25W/m?K。

窑具的导热系数对其热震稳定性有重要影响。通常窑具的导热系数愈大，其受热震时内部产生热应力愈小，热震稳定性愈好。这也是碳化硅类窑具具有良好热震稳定性的最主要原因。

10. 比热

比热是指单位重量的材料温度每升高1K时所吸收的热量，也称比热容或热容，单位为Kj/Kg?K，有恒压比热与恒容比热之分，实际生产与应用中通常都使用恒压比热（若无特别注明，一般均指恒压比热），耐火材料在高温下的恒压比热与恒容比热相差很小。

窑具的比热数据主要用于窑炉热工计算。比热小的材料在加热和冷却过程中需要和放出的热量少，在体积一定时多孔的隔热材料质量小，加热时需要的热量少。陶瓷行业的低蓄热窑车，实际上就是尽量采用比热低的轻质材料，以减少在升温过程中的蓄热和在冷却过程中的放热，从而可以实现即降低能耗又可以加快推车速度增加产量之目的。

由于各种材料的比热数据已经积累的比较充分，多数情况下通过计算得到的比热数据即能满足要求，因此一般较少测定材料的比热。堇青石-莫来石窑具的20℃时的比热在1.0Kj/Kg?K左右。

11. 热震稳定性

热震稳定性是指材料在温度急剧变化条件下抵抗损伤的能力，也曾称作抗热震性、热稳定性、抗热冲击性、抗温度急变性、耐急冷急热性等。它是评价窑具性能的最重要指标之一，直接关系到窑具的使用寿命。

热震稳定性是窑具力学性能和热学性能在温度变化条件下的综合表现。材料遭受的急剧温度变化称为热震；材料在热震中产生的新裂纹，以及新裂纹与原有裂纹扩展造成的开裂、剥落、断裂称为热震损伤；材料在温度变化时，变形受到抑制所产生的应力称为热应力。热震损伤是热应力作用的结果。材料的热震稳定性与许多因素有关，一般认为具有较高的强度、导热系数和较低的膨胀系数的材料具有较好的热震稳定性。表述材料的热震稳定性参数没有统一的标准，有用抗热震断裂参数R、R’、R’’表述的，也有用抗热震损伤参数R’’’表述的，还有用热应力裂纹稳定性参数Rst和Rst’表示的。

对一般耐火材料而言，通常用热震次数来表示热震稳定性。按照中国冶金行业标准YB376，将直形砖（尺寸为200-230X100-150X50-100mm）的受热端面伸入到预热至1100℃的炉内50mm，保持20分钟，然后将热端面放入室温水中冷淬3分钟，进行干燥后再进行下一个循环。用受热端面破损一半的热循环次数表示其热震稳定性。也有采用热震前后的抗折强度变化率来评价耐火材料热震稳定性的，按照中国冶金行业标准YB4018的方法，将条状试样（尺寸为230X114X31mm或者230X65X31mm）的一个面（230X31mm）为受热面，在均热板上自室温以规定速率加热至1000℃并保持30分钟，然后置于空气中淬冷，测定冷却后的抗折强度并与热震前的抗折强度对比，计算变化率。

对堇青石-莫来石窑具而言，由于受规格尺寸的限制以及其特别优异的热震稳定性，上述两种方法都不能完全满足对窑具热震稳定性的评价。在广东热金宝和欧洲主要的窑具企业，目前的通行做法是：将条状试样（12-25X12-25X60-150mm）放入到预热至1100℃的炉内并保持20分钟，然后将试条放入室温水中冷淬3分钟，干燥后测定其抗折强度。以热震后的抗折强度损失率来表示其热震稳定性，损失率越小则表示热震稳定性越好，堇青石-莫来石窑具应该小于50%。一般窑具企业在其产品样本中均采用定性或对比的方法表示其热震稳定性的好坏，以供用户选材时参考。

12. 最高工作温度（MWT）

是指材料能够长期使用的最高温度。除材料本身的性能外，窑具的最高工作温度还与气氛、窑具形状与尺寸、荷载及分布、支撑方式等因素有密切的关系，比如同样的窑具在氧化气氛下的MWT要比还原气氛下高很多；又大又薄的棚板MWT显然比又小又厚的棚板要低很多；载荷均匀分布的棚板MWT比载荷集中在中间的棚板要高；横梁支撑的棚板MWT比四点支撑的棚板要高。热金宝窑具所标示的最高工作温度均是指在氧化气氛下的温度。对窑具而言，很难标识其准确的MWT，一般都是根据材料的高温抗折强度再结合实际经验而给出的。

广东热金宝与欧洲合作伙伴联合制定的通过测定窑具试样在指定温度和一定载荷作用下的变形率来评价窑具的最高使用温度具有重要的实用价值。