《Advances in Mechanical Engineering》：Thermal behavior and dimensional stability of clay- and bentonite-based ceramic composites
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以5.6 wt.% SiC或Al?O?增强的黏土基与膨润土基陶瓷复合材料，采用热重-差示扫描量热法（TG-DSC）及膨胀计法（dilatometry）对其热行为与尺寸稳定性进行了系统研究。结果表明，两种基体材料表现出显著不同的热响应特征，其中黏土基体的总质量损
以5.6 wt.% SiC或Al?O?增强的黏土基与膨润土基陶瓷复合材料，采用热重-差示扫描量热法（TG-DSC）及膨胀计法（dilatometry）对其热行为与尺寸稳定性进行了系统研究。结果表明，两种基体材料表现出显著不同的热响应特征，其中黏土基体的总质量损失为18.29 wt.%，膨润土基体为10.09 wt.%。黏土基体在约119°C发生脱水反应，随后在406–708°C区间发生脱羟基作用；而膨润土基体则在85.8°C出现脱水峰，蒙脱石脱羟基反应约在550°C发生。SiC或Al?O?的添加并未改变主要热转变序列，仅引起特征温度发生轻微偏移。膨胀计分析显示，黏土基复合材料呈现初始干燥收缩，而膨润土基复合材料在约530°C–560°C之前以连续膨胀为主。最大线性收缩率可达65%，最大线性膨胀率为50%。在约750°C以上，大多数涉及质量变化的物理化学过程已基本完成。TG-DSC与膨胀计分析结果的联合应用，为优化烧成制度、减少陶瓷加工过程中的变形、开裂及尺寸偏差提供了定量依据。
一、研究背景与问题提出
黏土与膨润土作为自然界中广泛分布的铝硅酸盐矿物材料，因其资源丰富、成本低廉及优异的理化性能，在土木工程、岩土与环境工程、陶瓷制造、汽车零部件及过滤系统等众多工业领域得到广泛应用。其矿物组成以二氧化硅、铝硅酸盐、石英、长石、云母、蒙脱石等黏土矿物为主，赋予材料良好的可塑性、结合能力及化学稳定性，因而成为陶瓷复合材料的理想基体。
在陶瓷烧成与烧结过程中，材料的热行为对最终制品的性能起着决定性作用。加热过程诱发一系列物理与化学转变，包括脱水、脱羟基、相变、再结晶及尺寸变化，这些过程直接影响制品的密度、孔隙率、收缩率、微观结构及最终性能。尽管已有大量研究关注黏土与膨润土的热特性，但关于陶瓷增强相对黏土基与膨润土基复合材料热行为与尺寸稳定性的联合影响，现有文献信息仍十分有限。
为此，研究人员在前期研究基础上，系统考察了以5.6 wt.% SiC（非氧化物陶瓷）与Al?O?（氧化物陶瓷）增强的黏土基与膨润土基复合材料在加热过程中的热演变规律，重点关注质量损失、脱水与脱羟基过程、相变、热膨胀、收缩及尺寸稳定性，旨在为优化该类复合材料的加工与烧结条件提供基础数据，并建立热行为、微观结构演变与烧结材料最终性能之间的直接关联。
二、研究内容与主要结论
研究人员以罗马尼亚Bihor County Suncuius地区采集的黏土与膨润土为原料，分别制备了未增强及含5.6 wt.% SiC或Al?O?增强相的六种复合材料（C1–C6）。通过热重-差示扫描量热法（TG-DSC）与膨胀计法系统研究了各组分在加热过程中的热行为与尺寸变化。
主要结论如下：黏土基体与膨润土基体因矿物组成差异而呈现截然不同的热行为，黏土基体（C1）总质量损失为18.29 wt.%，膨润土基体（C4）为10.09 wt.%；黏土基体主要热事件包括脱水、脱羟基及α→β石英转变，膨润土基体则涉及脱水、高岭石分解、蒙脱石脱羟基及结构重组与再结晶。5.6 wt.% SiC或Al?O?的添加不改变主要热转变序列，仅引起特征温度轻微偏移，表明两种陶瓷粉末主要起热稳定惰性增强作用。膨胀计测试表明，黏土基复合材料以干燥收缩为主，膨润土基复合材料则以连续膨胀为主。最大线性收缩率为65%（C3），最大线性膨胀率为50%（C4与C5）。
三、关键技术方法
本研究主要采用以下关键技术手段：其一，同步热重-差示扫描量热法（TG-DSC），使用NETZSCH STA 449 F3 JUPITER热分析仪，在氮气气氛（20 mL/min）下以10°C/min升温速率从室温加热至900°C，用于表征质量变化与热效应；其二，膨胀计法（dilatometry），采用L75PT/1400水平膨胀计，在20–1400°C范围内以0.125 nm分辨率测量样品尺寸变化。所有用于膨胀计与TG-DSC测试的样品均为未烧结的生坯状态。样品来源为罗马尼亚Bihor County Suncuius地区采集的黏土与膨润土。
四、研究结果
基体材料表征： 通过不同烧成温度下样品的颜色演变观察发现，黏土样品在500°C–1100°C范围内发生显著颜色变化，先随温度升高至约700°C而变暗（与有机物燃烧有关），随后由深棕色渐变为红色调（反映含铁矿物氧化及赤铁矿Fe?O?形成）；膨润土样品在烧成过程中仅呈现轻微颜色变化，表明其矿物组成对可见热转变敏感性较低。
复合材料TG-DSC热分析表征： 黏土基复合材料（C1–C3）呈现相似热谱，表明增强相添加不改变热转变序列。C1的脱水峰位于119.4°C，质量损失7.97 wt.%，占总质量损失的43.57%；脱羟基峰位于406.2°C与707.7°C；α→β石英转变位于571.9°C。C2（SiC增强）与C3（Al?O?增强）的脱水峰分别移至121.0°C与122.4°C，脱羟基峰分别位于416°C/714°C与413°C/717°C。膨润土基复合材料（C4–C6）呈现两个吸热与两个放热事件。C4脱水峰位于85.8°C，质量损失5.15 wt.%，占总质量损失的51.04%；蒙脱石脱羟基峰位于550.3°C，质量损失3.57 wt.%；高岭石分解与再结晶放热峰分别位于462.6°C与651.1°C。C5（SiC增强）与C6（Al?O?增强）的相应特征温度仅发生轻微偏移。
复合材料膨胀计分析表征： 黏土基复合材料呈现初始干燥收缩，C1收缩至约280°C完成，C2约250°C，C3约340°C；脱羟基相关尺寸变化分别延伸至约560°C、600°C与610°C。膨润土基复合材料则呈现连续膨胀，C4膨胀至约530°C，C5约540°C，C6约560°C。最大线性收缩率C1为55%、C2为45%、C3为65%；最大线性膨胀率C4为50%、C5为50%、C6为40%。
五、讨论与结论
TG-DSC与膨胀计结果的密切关联证实，脱水、脱羟基、矿物分解及相变是控制所研究复合材料尺寸演变的主要过程。黏土基复合材料以收缩为主，在设定初始尺寸时需考虑尺寸缩减；膨润土基复合材料在约530°C–560°C前呈现膨胀，烧成初期需关注瞬时尺寸变化。非均匀尺寸变化或材料热响应差异可能产生内应力，导致变形或开裂，尤其在几何形状复杂或截面不均匀的部件中。
研究结论表明，黏土与膨润土基体因矿物组成不同而呈现显著差异的热行为；5.6 wt.% SiC或Al?O?的添加不改变主要热转变序列，仅引起特征温度轻微偏移，两种陶瓷粉末主要起热稳定陶瓷组分作用；约750°C以下完成大多数涉及质量变化的物理化学过程；所测得的质量损失与尺寸变化数据为优化烧成制度提供了定量判据。TG-DSC与膨胀计联合应用是关联加热过程中热转变与尺寸变化的有效方法，为优化黏土基与膨润土基陶瓷复合材料的加工参数提供了可靠基础，并可推广至具有改进热性能的先进陶瓷材料开发。
