الإسبودومين واستخدامه في السيراميك: نظرة عامة

الإسبودومين معدن له دور مهم يلعبه في السيراميك الحديث: إضافة مقاومة للصدمات الحرارية والتمدد - مما يجعل عمر السيراميك أطول.

مقدمة

الإسبودومين هو معدن من نوع البيروكسين مع الصيغة الكيميائية LiAl(SiO3)2. يستخدم في المقام الأول كمصدر لمعدن الليثيوم ، والذي يتم عزله أولا عن طريق تحميص الإسبودومين ثم عن طريق الترشيح في الحمض. يفضل على الطرق الأخرى بسبب ارتفاع كمية الليثيوم التي يمكن استخراجها. في مناطق أخرى ، يجد الإسبودومين استخدامات في السيراميك ، كعامل تدفق وفي الطب. في المنزل ، وجد الإسبودومين استخداما شائعا وواسع النطاق كمرحلة بلورية لمادة الزجاج والسيراميك "Pyroceram" من Corning Glass للطهي. تمتلك درجة تحمل حراري عالية وتمدد منخفض في درجات حرارة عالية ، وكانت المادة شائعة بشكل لا يصدق من أواخر عام 1950. الإسبودومين ، وتحديدا مرحلة β سبودومين ، هو المسؤول عن هذه الخصائص المثيرة للإعجاب. يوجد معظم الإسبودومين الذي يحدث بشكل طبيعي كهيكل بلوري α-سبودومين ، مع الحصول على متغير β الأقوى من خلال التسخين. تمتلك جمهورية الكونغو الديمقراطية أكبر احتياطيات مؤكدة من الإسبودومين.

shutterstock_537960268 واسعة

الاستخدامات في السيراميك

في "Pyroceram" لكورنينج ، بدا الزجاج والسيراميك أبيض حليبي اللون. السماح بمرور كمية معتدلة من الضوء ؛ شفافه. وجد
السيراميك
القائم على الإسبودومين شعبيته بسبب الخصائص التي يحملها ، ومقاومة الطهاة للصدمات الحرارية ، وتحمل درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة التمدد الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، ينظر إلى سيراميك الإسبودومين عموما لقوته ومتانته. من حيث عمليات التصنيع ، تلبيد الإسبودومين جيدا.

مقاومة الصدمات الحرارية

تشير مقاومة الصدمة الحرارية إلى قدرة المادة على عدم التشوه أو التمزق عند تغير مفاجئ و / أو دراماتيكي في درجة الحرارة. نظرا لأدائه الحراري الممتاز في حد ذاته ، غالبا ما يتم تضمين β سبودومين في السيراميك الآخر للمساعدة في إضافة خصائص قيمة مقاومة للصدمات. على سبيل المثال ، ثبت أن إضافة 15٪ بالوزن β-سبودومين إلى الألومينا تنتج سيراميك مع عدم تطابق التمدد الحراري العالي (1). أظهر الاختبار أن السيراميك المخدر بالإسبودومين أظهر الحد الأدنى من تدهور القوة في ظل ظروف الصدمة الحرارية ، مقارنة بالألومينا النقية التي لم يكن أداؤها جيدا. تقارن هذه النتيجة بشكل إيجابي بسيراميك الألومينا المركب الآخر.

في السيراميك الزجاجي ، يتم استخدام الإسبودومين والسيليكا. تزداد كثافة السيراميك الزجاجي الناتج بعد 3.5 ساعة أو أكثر من التلبيد. في هذه العملية ، زاد متوسط حجم الحبوب من 0.55 إلى 0.67 ميكرومتر مع زيادة الصلابة إلى 5.47 جيجا باسكال ، إلى جانب زيادة قوة الانحناء بمقدار 158 ميجا باسكال. كانت هناك زيادة متناسبة في القوة المتبقية والأداء في اختبار الصدمات الحرارية. يفسر الباحثون هذه الظاهرة من خلال زيادة التبلور والنسبة المرتفعة من β سبودومين التي تأتي مع فترات تلبيد / تكليس ممتدة (2). وبالتالي يتأثر أداء الصدمة الحرارية بشكل إيجابي بأداء قوة الانحناء.

عند استخدامه كتدفق ، يكون الإسبودومين مسؤولا عن تأثير التكثيف في السيراميك الناتج. في مثال حيث كان الباحثون يطورون كورديريت سبودومين لتطبيقات نقل الحرارة الشمسية ، كانت إضافة 10٪ فقط من β سبودومين كافية لضمان انخفاض قوة الانحناء بعد 30 دورة تسخين وتبريد (بسرعة من 1100 درجة مئوية إلى درجة حرارة الغرفة) بنسبة 6٪ فقط. احتفظت هذه المادة عالية المرونة تقريبا بكل الإسبودومين بعد كل الدورات (3). يقترح المؤلفون أن هذا قد يكون مادة واعدة لنقل الحرارة في توليد الطاقة الحرارية الشمسية. بناء على عمل كورديريت-سبودومين ، تم العثور على إضافة 5٪ من الأندلس لزيادة خصائص الصدمة الحرارية بشكل أكبر (4).

stoneware الأطباق
الطاسات

مقاومة التمدد الحراري

معامل التمدد الحراري (CTE) هو قياس مقدار تمدد المادة عند درجة الحرارة ، مع تفضيل أعداد أقل.

في سيراميك السيليكا مع β سبودومين ، يكون تباين الخواص لتمدد المواد أكبر مع زيادة نسبة السيليكا (5). يشكل β-spodumene نفسه في سلاسل حلزونية من Al-O tetrahedra في ترتيب محور لولبي ، والذي على الرغم من إجهاده ، يتم تخفيف الضغط عند درجة حرارة عالية عن طريق تقليل زوايا الرابطة في رباعي السطوح. هذا يسبب مستوى أعلى من الاستقرار (6).

أظهر السيراميك الزجاجي β-spodumene المصنع عن طريق عملية هلام سول متبوعة بالضغط الساخن ما يقرب من الصفر CTEs من -0.03 × 10-7 K-1 إلى -0.97 × 10-7 K-1 من درجة حرارة الغرفة إلى 1200 درجة مئوية (7). يقترح الباحثون أن سبب هذه المقاومة المذهلة للتمدد يرجع إلى المراحل البلورية المستقرة للغاية التي تحققت والتبلور الموحد ، وكلاهما يعتمد على سلوك التلبيد الممتاز للسبودومين. تشير قيم CTE السلبية هذه إلى مادة ثنائية القياس - أي عقود المواد. من المعروف أن هذا هو الحال بالنسبة ل β-سبودومين منذ عام 1951 (8).

يمكن تحقيق معامل التمدد الحراري المنخفض بشكل خاص في سيراميك الإسبودومين باستخدام مادة مضافة لتلبيد أكسيد الليثيوم وأكسيد الجرمانيوم. أدى استخدام 3٪ فقط من وزن هذه المادة المضافة في عملية بقيادة β سبودومين إلى سيراميك ب CTE يبلغ 7.0 × 10-7 K-1 فقط من درجة حرارة الغرفة إلى 800 درجة مئوية (9). للمقارنة ، يحتوي سيراميك ألومينوسيليكات الليثيوم على CTE 3.2 × 10-7 K-1 (10).

كما لوحظت قيم CTE السلبية في السيراميك الزجاجي المحتوي على الإسبودومين ذي الطبيعة الأكثر غرابة. في حالة السيراميك الزجاجي المحتوي على النيتروجين ، فإن التركيبات الغنية بالنيتريد β سبودومين التي تتبلور عند 1200 درجة مئوية لها CTEs سلبية. يتم زيادة كثافة وصلابة الزجاج الناتج بشكل كبير. تفسير هذه الظاهرة هو أنه إلى جانب تكوين الكوارتز β (انظر أدناه) ، يتم دمج ذرات النيتروجين في الشبكة (11).

الاعتبارات والملاحظات أثناء التصنيع

كما هو الحال مع جميع السيراميك ، تعد عملية المعالجة الحرارية جزءا أساسيا من التصنيع. أثناء التسخين ، يتحول α-سبودومين أو سبودومين غير متبلور إلى سبودومين ، يعتمد استقراره على معدل التسخين وكذلك المعالجة الميكانيكية السابقة للعينة (أي ما إذا كانت مطحونة). مع استمرار التكليس ، يتحول الإسبودومين إلى β سبودومين ، بالإضافة إلى بعض الكوارتز β في بعض الحالات كشوائب ، حيث يتم استبدال بعض مراكز الليثيوم والألمنيوم بالسيليكون. كقاعدة عامة ، سيؤدي البدء بعينة مطحونة بدقة إلى تحويل أكثر اكتمالا إلى β-سبودومين (12). يمكن تحقيق تقليل الطاقة عن طريق معالجة الإسبودومين في طبقة مميعة (13).

لاحظ الباحثون أنه عند تكوين سيراميك الإسبودومين ، يصبح تكوين الجسم أكثر صعوبة عندما يتسبب التكليس في تجاوز نسبة β سبودومين 50٪. بالنسبة للأشكال الخزفية الأكثر تعقيدا مع هذه المادة ، من المهم تعديل درجة الحرارة بعناية حتى لا تتجاوز مستوى 50٪ في وقت مبكر جدا (14). يمكن أن تشمل الطريقة المحتملة للتخفيف من ذلك تغيير محتوى / إضافة LiO2 ، والذي له تأثير أكبر على سلوك التلبيد ، إلى جانب أكاسيد أخرى (15).

التأثير على السيراميك الآخر

وقد ثبت أن إضافة الإسبودومين في إنتاج السيراميك المعروف مفيد من حيث إضافة الخصائص المرغوبة. في صناعة سيراميك الموليت ، وجد الباحثون أنه باستخدام β-سبودومين كعامل تلبيد للمرحلة السائلة ، زادت كثافة الموليت (أي كانت أقل مسامية) ، وتم تحسين سلوك التلبيد وتشكيل الموليت بسهولة أكبر عند 1550 درجة مئوية (16). بالإضافة إلى ذلك ، يدعي المؤلفون أن سيراميك الموليت المعدل بالإسبودومين يحمل خصائص فيزيائية وميكانيكية فائقة مقارنة بالموليت وحده.

يتم تكرار خصائص التعزيز هذه إلى حد كبير من قبل الباحثين الذين قاموا بتخدير الألومينا الملبدة بالطور السائل باستخدام β-سبودومين (17). ووجدوا أنه بإضافة β سبودومين ، احتوى السيراميك المنتج على مزيج من الإسبودومين البلوري والمواد الزجاجية - مما أدى إلى سيراميك قوي الأداء ميكانيكيا ، ينافس أي سيراميك ألومينا متاح تجاريا.

أوعية خزفية مصنوعة من الفلسبار على الرف

تعويم الإسبودومين واستعادته

أحد العوامل المهمة في أي عملية إنتاج حديثة هو تقليل النفايات - ومعالجة أي نفايات موجودة لضمان التخلص الآمن. مع وضع ذلك في الاعتبار ، يعد تعويم الإسبودومين عملية مهمة في إنتاج معدن الليثيوم (كما ذكرنا ، في الغالب من الإسبودومين) ويمكن استخراج مركبات الإسبودومين والليثيوم المتبقية من مخلفات إنتاج الليثيوم. نظرا لأن الإسبودومين له إمكانات زيتا سلبية في المحاليل التي تحتوي على درجة حموضة أقل من 3 (18) ، فمن المحتمل إزالة الإسبودومين من المخلفات المذكورة عن طريق الجمع الكاتيوني ، كما هو الحال مع الأمينات. أظهرت الأبحاث أنه يمكن استخراج 90٪ من الإسبودومين من المخلفات (19). يتم تحقيق الطفو بإضافة أوليات الصوديوم (250 جم L-1) وكلوريد الكالسيوم إلى المخلفات (20). الإسبودومين المستعاد مناسب تماما للاستخدام في السيراميك (21) ، مثل مثال حيث تم الجمع بين مخلفات الطفو والكاولين ومسحوق الزجاج منخفض الانصهار لإنتاج سيراميك مسامي للغاية بقيمة قوة 5.60 ميجا باسكال تحسد عليها (22).

موجز

  • الإسبودومين معدن له الصيغة LiAl(SiO3)2 ، والذي يستخدم بشكل أساسي كمصدر للليثيوم
  • في عالم السيراميك والزجاج ، يتم تقييم الإسبودومين لخصائص التلبيد الممتازة
  • تفسر المقاومة العالية للصدمات الحرارية بزيادة التبلور والقوة الناتجة عن نسب أكبر من β سبودومين
  • من حيث التمدد الحراري ، يوفر الإسبودومين خصائص ممتازة للسيراميك ، مع بعض معاملات التمدد حتى أن تكون سالبة
  • β-سبودومين مسؤول إلى حد كبير عن القوة المثيرة للإعجاب والخصائص ذات الصلة ، إلى جانب تكوين كميات متواضعة من الكوارتز β في بعض الأنظمة
  • يمكن استعادة الإسبودومين الكافي لإنتاج السيراميك عن طريق تعويم الإسبودومين
  • بشكل عام ، يعتبر الإسبودومين مادة قيمة لإنتاج السيراميك

مراجع

1 ب. أ. لاتيلا وآخرون ، ج. (سيرام) شركه نفط الجنوب., 1999, 82, 819

2 ح. محمد وآخرون، الآسيوية جيه سيرام. شركه نفط الجنوب., 2021, 9, 507

3 C. Hu et al., (سيرام) الباحث., 2016, 42, 13547

4 C. Hu et al., (سيرام) الباحث., 2018, 44, 3240

5 ج. ب. ويليامز وآخرون ، ج. (سيرام) شركه نفط الجنوب., 1968, 51, 651

6 سي تي. لي و د. ر. بيكور ، ز. كريستالوغر. كريست., 1968, 126, 146
7 ج. ون وآخرون ، (سيرام) الباحث., 2012, 38, 5315
8 E. J. دخان ، ج. (سيرام) شركه نفط الجنوب., 1951, 34, 131
(9) ت. أوغيوارا وآخرون، ج. (سيرام) شركه نفط الجنوب., 2013, 96, 2577

10 ل. شيا وآخرون ، (سيرام) الباحث., 2020, 46, 28668

(11) ح. أونوما وآخرون، ج. (سيرام) شركه نفط الجنوب., 1991, 74, 1291

12 م. الطراونة وآخرون، عامل المنجم. المهندس., 2019, 140, 105883

13 إ. غاسافي و ر. بارديمان، عامل المنجم. المهندس., 2020, 148, 106205

14 إ. م. المليجي، (سيرام) الباحث., 2004, 30, 1059

15 س. نيكربوكر وآخرون ، ج. (سيرام) شركه نفط الجنوب., 1989, 72, 1873

(16) إ. لو وآخرون، (ج. ماتر) الخيال العلمي., 1997, 32, 3807

(17) ب. ه. أوكونور وآخرون، ج. (سيرام) شركه نفط الجنوب., 1995, 78, 1895
(18) ج. دينغ وآخرون، عامل المنجم. المهندس., 2015, 79, 40

19 ل. وانغ وآخرون، سبتمبر. بوريف. التكنولوجيا., 2016, 169, 33

20 س. فاروخباي وآخرون ، المعادن ، 2019 ، 9 ، 372

21 ب. ن. ليمونيا وآخرون، (سيرام) الباحث., 2021, 47, 33286

22 لتر-ساعة. شو وآخرون، عبر. شركة نفط الجنوب المعدنية غير الحديدية. الصين, 2021, 31, 9