《Journal of the Indian Chemical Society》：Comparative study on phase evolution and densification of cordierite ceramics synthesized via sol-gel and semi-colloidal routes
编辑推荐：
cordierite陶瓷通过半胶体法和溶胶-凝胶法的合成对比研究表明，半胶体法利用天然高岭土和沉淀二氧化硅实现低成本制备，但密度较低；溶胶-凝胶法则通过纳米级均匀混合获得高密度（2.41 g/cm3），两者热膨胀系数差异显著，半胶体法制品（2.19×10??°C?1）更具热震稳定性。研究证实半胶体法在可持续性和经济性上具有优势。
德布乔蒂·雷（Debjyoti Ray）|尼尔森·坎杜尔纳（Nelson Kandulna）|阿达尔莎·马吉（Adarsha Maji）
加尔各答大学化学技术系陶瓷工程部门，印度西孟加拉邦加尔各答APC路92号，700009
摘要
堇青石陶瓷因其低热膨胀系数、高热稳定性和优异的抗热震性能而备受重视。然而，在其狭窄的烧结窗口内实现完全致密化仍然是一个主要挑战。本研究通过半胶体法和溶胶-凝胶法合成的堇青石陶瓷，比较了其相变、致密化过程以及热机械性能。在半胶体法中，使用了天然高岭土和沉淀二氧化硅与硝酸镁；而溶胶-凝胶法则采用了硝酸镁、硝酸铝和胶体二氧化硅来确保纳米级的均匀性。采用热分析（TG-DSC）和光谱分析（SEM）技术对合成的前驱体粉末进行了分析。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和X射线衍射（XRD）研究了烧结体的微观结构和相组成，并评估了其密度、孔隙率、机械强度和热膨胀系数。TG-DSC和XRD分析结果显示：半胶体法合成的样品在973°C时形成μ-堇青石，在1115°C时转变为α-堇青石（即印度石）；而溶胶-凝胶法则在1142°C时首先形成Mg-Al尖晶石，随后结晶为α-堇青石。溶胶-凝胶法制备的样品具有较高的体积密度（2.41 g/cm3，相对密度约为95.6%）和弹性模量（88 GPa），而半胶体法制备的样品密度较低（2.13 g/cm3），但热膨胀系数显著更低（2.19 × 10?? °C?1），表明其具有更好的抗热震性能。本研究证实，半胶体法是一种可持续且节能的替代方案，可以使用成本较低的天然原料制备热稳定的堇青石陶瓷。
引言
堇青石属于镁铝硅酸盐家族，化学式为2MgO·2Al?O?·5SiO?。它是MgO–Al?O?–SiO?体系中唯一的稳定化合物，在1460°C时发生非共熔反应，形成莫来石和液态物质。堇青石作为一种优异的陶瓷材料，具有低热膨胀系数、高热稳定性和化学稳定性以及出色的抗热震性能，因此在电子封装、催化剂载体、汽车部件和燃气轮机发动机中的热交换器等工业应用中具有很高的吸引力[[1], [2], [3]]。
尽管具有这些优点，堇青石陶瓷的主要缺点是烧结范围较窄，即烧结温度与熔化温度之间的差距较小。这导致在较窄的温度区间内会产生大量液体，从而使得致密化变得困难[4]。为了解决这一问题，人们探索了多种烧结辅助手段以降低堇青石的烧结温度并更好地控制稳定相的形成[5,6]。然而，这些添加剂可能会影响堇青石的热膨胀系数，从而限制其在高精度应用中的性能。
近期的研究主要集中在使用天然矿物或氧化物粉末的传统固态反应和直接烧结方法上[[7], [8], [9]]。为了降低加工成本并提高可持续性，一些研究采用了废弃物衍生前驱体和工业副产品，如煤灰、水泥粉尘和粘土矿物[[10], [11], [12]]。然而，杂质变化、较高的烧结温度要求以及不稳定的相变过程仍然是这些方法的主要挑战。结晶温度对陶瓷系统的性能、加工条件和相变过程起着关键作用[13]。材料的性能受到原材料选择、组成、加工工艺及杂质存在的影响。因此，全面了解这些参数对于针对特定应用定制具有优化性能的材料至关重要。尽管如此，固态反应法仍然是制备堇青石最常用的方法[14,15]。传统上，工业上一直使用天然原料来生产堇青石陶瓷。迄今为止，已报道了多种原材料组合用于制备堇青石陶瓷，包括：(i) 阿尔萨斯石和滑石[16]；(ii) 煅烧铝土矿、滑石、石英和长石[14]；(iii) 花岗岩污泥废弃物、滑石和氧化铝通过直接凝固铸造工艺[17]；(iv) 不同粒度的氧化铝（5微米和0.65微米）或AlOOH、滑石、粘土和长石[18]；(v) 林仓高岭土、煅烧滑石和α-Al?O?[19]。
同时，也开发了多种低能耗的堇青石陶瓷制备工艺，包括溶胶-凝胶法[20,21]、喷雾热解[22,23]、聚合物海绵法[5]、微波燃烧[24,25]和共沉淀法[26]。其中，溶胶-凝胶法能够精确控制前驱体材料的化学组成、粒径和表面积，从而在相对较低的温度下实现致密化[[27], [28], [29]]。该技术特别适用于制备高纯度堇青石陶瓷，这些陶瓷用于高频多层芯片电感器[30]、等离子显示面板[31]和其他电子应用[32]，这些应用要求材料具有高密度以及可控的热性能和介电性能。然而，溶胶-凝胶法的成本较高且可扩展性有限[33]。相比之下，固态方法虽然工业上可行，但通常需要较高的烧结温度，难以实现纳米级控制，并且对相纯度和微观结构的控制有限[34]。因此，亟需开发一种既能实现纳米级控制又能兼顾工业可行性和成本效益的合成方法。半胶体法结合了天然原料和合成原料的优点，为此提供了一种有前景的替代方案。该方法旨在结合天然矿物的低成本和易获取性以及溶胶-凝胶法提供的更好组成控制和均匀性，有望用于生产高质量的陶瓷，如催化剂载体和热绝缘体，同时降低能源消耗和材料成本。尽管半胶体法在纳米级粉末反应性和成本效益方面具有优势，但其在堇青石合成中的应用仍需进一步探索。
本研究采用半胶体法制备堇青石陶瓷前驱体，并系统比较了通过传统溶胶-凝胶法制备的堇青石陶瓷的相变、微观结构、热膨胀系数和机械性能。
实验部分
实验
堇青石粉末通过溶胶-凝胶法和半胶体法两种不同的工艺路线合成。两种方法均旨在获得化学计量比的堇青石（2MgO·2Al?O?·5SiO?）。半胶体法使用了天然高岭土、沉淀二氧化硅和硝酸镁；而溶胶-凝胶法则使用了硝酸镁、硝酸铝和胶体二氧化硅来促进细小颗粒的形成和化学均匀性。
结果与讨论
比尔布姆粘土（Birbhum clay）被认为是印度最优质的瓷土之一，以其极高的纯度和塑性著称。本研究选择这种粘土通过半胶体法制备堇青石。表3展示了采用标准方法对比尔布姆粘土进行的化学分析结果，结果表明该粘土属于高岭石类型。
结论
通过对半胶体法和溶胶-凝胶法合成的堇青石陶瓷的比较研究，发现制备方法对相变、致密化和机械性能有着重要影响。半胶体法制备的样品密度较低（2.13 g/cm3），机械强度也较低（归因于较高的孔隙率19.2%）；而溶胶-凝胶法制备的样品密度较高（2.41 g/cm3，相对密度约为95.6%）。
作者贡献声明
德布乔蒂·雷（Debjyoti Ray）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写及概念构思。尼尔森·坎杜尔纳（Nelson Kandulna）：负责撰写、审稿与编辑。阿达尔莎·马吉（Adarsha Maji）：负责方法设计、实验实施和数据整理。
利益冲突
代表所有作者声明，我们没有任何已知的财务利益、个人关系或可能影响本手稿工作的竞争利益。
