莫来石的基本性质和种类

　　一、莫来石的基本性质

　　莫来石的晶体结构属斜方晶系，是一种具有氧空位缺陷的硅线石(Al2O3·SiO2)结构，与硅线石晶体结构非常相似。其基本性质如表1所列。

　　表1 莫来石的基本性质

　　莫来石的基本性质

　　二、莫来石相区

　　人们很早己开始对Al2O3-SiO2二元系在常压下的平衡关系进行研究。在初的相平衡图中，把硅线石(Al2O3·SiO2)看成是高温稳定相。后来的研究表明，硅线石在1545℃发生热分解变为新化合物莫来石和SiO2，其相平衡图如图1a中所示。它表明常压下不产生组成相当于Al2O3·SiO2的化合物，以前认为是人造硅线石的矿物乃是莫来石之误;莫来石为不一致熔化合物，在1810℃按下列关系熔融分解或析晶：

　　3Al2O3·SiO2(莫来石) → α-Al2O3 (刚玉)+ L (液相)

　　即莫来石在加热时，于1810℃发生热分解变为刚玉和液相;反过来，相当于莫来石组成的熔体冷却，则在熔融曲线AC上的1920℃左右，先析出刚玉，随温度下降，刚玉量不断增加。到1810℃析晶出来的刚玉晶体与液相反应开始生成莫来石。这时如能保持完全的平衡，常压下有三个相共存，所以是不变点，直到刚玉反应完毕为止，温度保持不变。但是，如冷却速度过快，破坏了平衡，则在1810℃以下，液相成分沿CE曲线变化， 在未来得及进行反应而残留下来的刚玉周围析出莫来石，即生成包晶结构。这种结晶作用， 在制造电熔莫来石时，因冷却速度较快而容易发生。

　　有些研究也表明，莫来石为一致熔化合物，并同Al2O3生成固溶体(图1b)。此乃由于不同的实验条件造成的。当在空气中试验(非密封条件下)，莫来石均为不一致熔化合物：当使用高纯原料并在密封条件下作相平衡时，则莫来石为一致熔化合物，在一般的硅酸盐材料中，特别是在工业生产条件下，莫来石大多以不一致熔状态存在。刚玉的析晶能力很强，它有利于促使莫来石的不一致熔融。另外，当有杂质成分存在，特别是碱金属氧化物的存在，也会促进莫来石的熔融分解。

　　三、莫来石固溶体

　　用X射线对天然和人工合成莫来石进行研究，发现有三种晶胞轴比不同的莫来石存在，即α-莫来石，β-莫来石，γ-莫来石。

　　(1) α-莫来石

　　相当于纯的3Al2O3·2SiO2，组成符合Al2O3 71. 8%，SiO2 28. 2%的典型成分。

　　(2) β-莫来石 固溶有过剩的Al2O3，晶格略显膨胀。从图1(b)中可见， 莫来石固溶体的组成处在 3Al2O3·2SiO2 与 2Al2O3·SiO2 (饱和固溶体)之间，饱和固溶体的组成为 Al2O3 77.2%，SiO2 22.8%，即β-莫来石多可固溶5. 4%的Al2O3。有人认为，从含48%和60% Al2O3的熔体中结晶出的莫来石组成是α型或β型。在亚稳平衡条件下(淬火)结晶出的β-莫来石在热处理过程中将改变其组成，即脱溶出Al2O3后变成稳定的α-莫来石， 脱溶出的Al2O3进入玻璃相中。

　　(3) γ-莫来石 固溶有少量的Fe2O3和TiO2。 莫来石晶体格子中的Pe3-代替 Al3-。莫来石中多可能含有8%〜9%的随温度升高，Fe2O3含量降低而转移到液相中：随温度下降，Fe2O3又从液相中返回到莫来石中。当在还原气筑烧成时，莫来石中的Fe2O3含量比在氧化气氛烧成时要低，表明二价铁不能或很少存在于莫来石晶格中。在高温下莫来石含Fe2O3较低，一部分三价铁还原成二价铁也是一个原因„

　　根据CBaudin等的研究，TiO2在莫来石中的固溶限为2.9±0.2 mass%。在限以内添加TiO2有助于莫来石的初期烧结和晶粒生长;超过限则抑制烧结，并使莫来石总孔隙率和平均孔径显著增大。此点对合成莫来石具指导意义。

　　有人认为Ti4-可能进入莫来石晶格代替Si4-促使格子胀大和扭曲。也有人认为，考虑到Al3-和Ti4-离子半径间的关系，在莫来石晶格各位置中，Ti4-替代Al3- (在添加Al2O3的TiO2中己观察到过这种情况)是可能的固溶体机制。这些取代在八面体各位置中能够产生铝离子空位，有助于质量迁移过程并因此提高烧结速率。当TiO2含量超过限时，稳定相是莫来石与钛酸铝。

　　Al2O3-SiO2二元系相平衡图

　　图1 Al2O3-SiO2二元系相平衡图

　　莫来石的三种变体均可由人工方法合成而得。但在天然矿物中发现有β型和γ型莫来石。β型可含Al2O3 77.2%，由α型到β型，其晶格常数显著变化;少量存在Fe2O3或(和)TiO2 时，变为γ型，晶格常数增大。

　　四、合成莫来石的种类

　　合成莫来石的种类很多。按合成的方法有烧结莫来石和电溶莫来石;按原料化学成分有低铝莫来石、中铝莫来石、高铝莫来石及锆莫来石等：若按所使用的原料种类则有锻烧高岭土(低铝)、锻烧蓝晶石(中铝)、全天然料莫来石(高铝)、高纯莫来石等