贵州铝土矿资源丰富，仅贵州修文县已探明的铝土矿资源储量就达1亿t^[1]。铝土矿开采过程中，20%~30%碎矿以及低品位铝土矿也就是常说的铝质岩被遗弃，资源利用率很低，矿石未能得到综合利用^[2]。低品位铝质岩的主要化学成分有Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃、FeO和TiO₂等。近几年来低品位铝土矿资源得到人们的重视，一些学者也在对低品位铝质岩资源综合利用进行研究。侃元等以低品位铝质岩为原料，采用高温烧结制备抗压强度为15.2 MPa耐火砖^[3]；徐旭等利用铝质岩，制备出抗压强度为113.4 MPa矿物聚合物^[4]。

镁铝尖晶石作为一种高级耐火材料已经得到广泛使用，但它只作为一种主要矿物组分存在于耐火材料中，且含量一般低于60%^[5-6]。制备尖晶石陶瓷材料的原料一般采用Al₂O₃和轻烧氧化镁粉。Sarkar R等^[7]利用煅烧过的氢氧化镁和氢氧化铝为原料，在1 550~1 750 ℃合成相对密度为91%的镁铝尖晶石；Cunhan和Bradt^[8]以Al₂O₃-MgO-SiO₂三元系统相图为基础，利用耐火黏土与水镁石在1 700 ℃以下合成出含少量镁橄榄石的镁铝尖晶石；李小明等^[9]以金属铝粉与MgO为起始原料, 采用自蔓延高温合成法合成了高纯镁铝尖晶石制品；黄宏等研究了LiCoO₂合成粉体过程对镁铝尖晶石陶瓷的侵蚀影响，结果表明经历10次的LiCoO₂粉体合成过程后, 镁铝尖晶石陶瓷的平均被侵蚀深度仅约100 μm；徐晓虹等采用原位合成技术制备了镁铝尖晶石-堇青石复相陶瓷，其体积密度为2.59 g/cm³、抗折强度为114.12 MPa。合成镁铝尖晶石陶瓷的原料很多，但利用低品位铝质岩制备镁铝尖晶石陶瓷却鲜有报道。

低品位铝质岩成分比较复杂，其中含有少量的TiO₂、Cr₂O₃。研究表明，TiO₂、Cr₂O₃可以作为镁铝尖晶石陶瓷生产中的添加剂，TiO₂对促进镁铝尖晶石烧结过程中的致密化效果好，Cr₂O₃也有一定的促致密化效果^[10]。利用低品位铝质岩制备尖晶石陶瓷不仅可以充分利用铝土资源，也为尖晶石陶瓷制备寻找新原料提供思路。

1 样品性质及试验 1.1 低品位铝质岩的化学成分分析

试验原料：贵州修文地区某低品位铝质岩，德州润昕实验仪器有限公司纯度为99%的高岭土，胜利石英砂厂纯度为99.34%的石英砂，广州拓亿贸易有限公司纯度为99%白云石。

低品位铝质岩化学多元素分析、XRD测试结果分别见表 1、表 2和图 1。

由表 1和表 2可以得出，低品位铝质岩的主要矿物组成为一水硬铝石和高岭石，还有少量的锐钛矿；主要化学成分为Al₂O₃、SiO₂，Al₂O₃含量为40.6%、SiO₂含量为38.5%。

1.2 试验设备

贵阳探矿机械厂颚式破碎机PE-40×80F、贵阳探矿机械厂磨矿圆盘粉碎机XSP-Φ150、珠海绿磁科技有限公司手持搅拌器CX-6610、混凝土振动台、快速节能箱式电阻炉(SGM2853G)、JYS-2000A数显式建材压力试验机、XRD、Hitachi S-3400N扫描电镜及EDAX-204B for Hitachi S-3400B能谱仪。

1.3 坯料配方及样品制备

试验以贵州修文地区某低品位铝质岩为主要原料，根据日用陶瓷Al₂O₃和SiO₂理论百分含量，按一定质量配比添加高岭土、石英砂和白云石。铝质岩、高岭土、石英砂、白云石原料配比如表 3，依据试验配方表 3将原料研磨至-0.075 mm，加水(质量比) 6%~8%，然后充分混合均匀，用模具注浆成型。

1.4 烧结试验

将成型的样品放入快速节能箱式电阻炉(SGM2853G)内，同时样品旁边对应放入三角锥控制温度。按照配方表分别制成1^#、2^#、3^#、4^#陶瓷坯料样品。根据前期试验设定烧成温度为1 200 ℃。设定烧制加温程序:0~200 ℃设定升温时间为1 h，在200~450 ℃设定为1 h，450 ~650 ℃设定为1 h，650~870 ℃设定为1 h，870~1 200 ℃设定为1 h，在1 200 ℃保温1 h然后随炉降低至室温取出制备完好的镁铝尖晶石陶瓷样品。图 2为烧制曲线。

2 结果与讨论 2.1 镁铝尖晶石陶瓷显微镜下矿物组成特征

从图 3可知在高温下有镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)、尖晶橄榄石(Mg₂SiO₄)生成。镁铝尖晶石成网状分布构成基底的支撑结构。尖晶橄榄石成细微状分散在基质矿物中。白色颗粒石英(SiO₂)填充在网状结构中，这对陶瓷的强度、韧性有很大的影响。

2.2 镁铝尖晶石陶瓷矿物组成特征分析

选择力学性能最好的3号陶瓷试样XRD测试分析，其结果如图 4所示。陶瓷的主要矿物组成为镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)、石英(SiO₂)、尖晶橄榄石(Mg₂SiO₄)，三者比例分别为55%、25%、20%。

2.3 镁铝尖晶石陶瓷扫描电镜分析

由图 5、图 6中可知，图中测点1区域处表示陶瓷管中亮白色部分为镁铝尖晶石和尖晶橄榄石，其能谱测试数据表明化学组分分别为(MgAl₂O₄)、(Mg₂SiO₄)。图中测点2区域处表示灰色部分成分比较复杂：镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)、莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)、钙长石(CaAl₂Si₂O₂)、石英(SiO₂)。尖晶石和尖晶橄榄石紧密结合，形成网状结构，其网状结构中充填有莫来石、石英等矿物有效的分散传至网状结构孔隙间的力，其结果是使陶瓷的力学强度增大。

2.4 抗折测试

陶瓷材料的抗折强度是指耐火陶瓷材料受到弯曲负荷的作用而破坏时的极限应力，多数作为检测和考察建筑材料及陶瓷材料等材料的指标。一般常见的方法有三点抗折法和四点测试法。三点测试法相对于四点测试法比较简单，因而三点测试法常被用来测试材料的抗折强度。本论文采用CSS-2210型万能试验机进行力学试验。计算公式：

$ \sigma = 3pL/2b{h^2} $

(1)

式中：σ为抗折强度，MPa；L为试样支架两点间的距离，mm；p为试样断裂时的最大载荷，N；b为试样的宽度，mm；h为试样的高度，mm。表 4为试样的抗折强度测试结果。

2.5 抗压强度测试

陶瓷材料的抗压强度是指陶瓷材料受压力时所能承受的强度极限应力。抗压强度是陶瓷材料的一个重要指标，可以利用抗压强度设置构件预应力，从而使材料在使用时承受拉伸负荷能力有所增加^[11]。计算公式：

$ {R_{压}} = P/A $

(2)

式中：R_压为抗压强度，MPa；P为作用在材料承接面的最大压力，kN；A为承接面的面积，cm²。用以上方法测试的结果如表 5。

表 4、表 5结果表明：3号样品的抗压抗折的效果最好，抗压强度为49.1 MPa，抗折强度为8.2 MPa。

2.6 吸水率测试

吸水率是检测陶瓷性能不容忽视的指标，陶瓷烧结程度及致密性与吸水率直接相关，吸水率越小，烧结程度和致密性就越好，相对的抗污能力就越好^[12]。按国标《GB/T 3810.3—2006》测定试样的吸水率，具体试验方法：将试样放入电热鼓风干燥箱中，在温度为105 ℃条件下干燥至质量不再变化，称重记为M₁；然后将试样放入清水中煮沸2 h，浸泡并冷却至室温，取出试样用湿毛巾擦干，快速称重记为M₂，带入公式(3)即可得出吸水率。

计算公式：

$ E = [({M_2} - {M_1})/{M_1}] \times 100\% $

(3)

式中：E为吸水率，%；M₁为干重，g；M₂为吸水后的质量，g。由以上的测试方法所得的结果如表 6。

根据标准GB 4100—2006规定，炻瓷砖吸水率为0.5%~3%，瓷质砖吸水率≤0.5%。从表 6中可以看出，1号和2号样品的吸水率达到炻瓷砖的标准，3号和4号试样吸水率达到瓷质砖标准。在生产控制中，可通过测定陶瓷材料吸水率来预测陶瓷产品的性能^[13]。

从表 4~表 6可以看出，3号陶瓷试样抗压强度、抗折强度最高，吸水率最低。试验的最佳配比为低品位铝质岩60.86%、高岭土28.68%、石英砂2.46%、白云石8%。

3 结论

(1) 试验原料铝质岩的主要矿物组成为一水硬铝石和高岭石，还有少量的锐钛矿；主要化学成分为Al₂O₃、SiO₂，含量分别为40.6%、38.5%。

(2) 通过试验得出较优配方为低品位铝质岩60.86%、高岭土28.68%、石英砂2.46%、白云石8%，在此基础上，陶瓷样品的抗折强度、抗压强度和吸水率分别为8.2 MPa、49.1 MPa和0.4%。

(3) 对力学性能最好的3号试样XRD测试分析，试样主要矿物组成为镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)、石英(SiO₂)、尖晶橄榄石(Mg₂SiO₄)，三者比例分别为55%、25%、20%。扫描电镜配合能谱分析，镁铝尖晶石与尖晶橄榄石紧密结合，形成网状结构，网状结构中充填有莫来石、石英等矿物增加了陶瓷的力学强度。