普通石墨材料用Al2O3涂层抗氧化性能研究

为了减少石墨材料的高温氧化消耗,以普通石墨电极为例,设计并制备了氧化铝抗氧化涂层。采用氧化失重分析法对有涂层和无涂层石墨电极进行了对比研究,发现有涂层石墨电极的氧化失重率明显低于无涂层石墨电极。同时采用扫描电镜对涂层的形貌进行观察。研究结果表明：自行研制的氧化铝涂层具有很好的高温抗氧化性能。     

硼酸复合盐对人造石墨电极的抗氧化性能影响研究

针对人造石墨电极使用时的氧化损耗问题,配制出以硼酸盐为主要抗氧化成分的复合抗氧化剂,通过对石墨电极材料的常压浸渍和热处理后,浸渍样品在静态空气中不同温度下经过2 h高温灼烧,测定样品的氧化失重率。研究发现,经过浸渍处理的石墨样品在900℃的抗氧化失重率低于1.8%。利用SEM观察浸渍试样和未浸渍试样的表面形貌,对复合硼酸盐的玻璃态涂层的抗氧化机理进行了分析。     

SiC改性涂层石墨基体表面抗氧化性能研究

以Si粉和碳粉为包埋粉,通过包埋法在石墨基体材料表面制备了SiC抗氧化涂层,但发现涂层疏松多孔、不连续,导致其氧化防护能力弱,为了提高石墨基体材料的高温抗氧化性,分别在包埋粉中掺杂Cr粉和W粉,对涂层进行改性。结果表明,经Cr粉改性后的涂层致密连续,表面平整,制备涂层后的试样在1650℃下进行2h氧化实验,未掺杂金属粉的试样氧化失重率为0.46%;经Cr粉改性后,试样的氧化失重率为0.08%,涂层抗氧化性得到显著提高。但经W粉改性后的试样,由于W粉的热膨胀系数较大,且改性过程是物理改性导致其氧化失重率达到1.34%。     

研究耐氧化涂层石墨电极的理论与实践

石墨有优良的导电导热性能,耐酸碱侵蚀,强度随温度的升高而增大,因而适合于高温下的各种用途。在冶金、化工、空间技术、原子能技术等方面作为导电材料或结构材料得到广泛的应用。石墨材料的缺点是在较高的温度下容易氧化,为了提高石墨电极的耐高温氧化性能,减少氧化损失,以便降低电炉炼钢过程中石墨电极的消耗,我们对耐氧化涂层电极的生产进行了数年的研究。     

稀土电解槽石墨内衬氧化扩散与孔隙结构演化模型

基于Fick定律和质量守恒定律,考虑石墨内衬中氧化反应、气体扩散和孔隙结构演化之间耦合作用,建立稀土熔盐电解环境下的石墨内衬试样的氧化扩散与孔隙结构演化数学模型,研究石墨内衬氧化扩散和孔隙结构演化过程。在二氧化碳环境下进行石墨高温氧化实验,采用CT显微技术获取试样孔隙结构图像,对CT图像进行二值化分割处理,统计计算孔隙率,将圆柱试样模型孔隙率、失重率的计算值与实验测试值进行对比验证,并对氧化腐蚀过程中圆柱试样二氧化碳浓度、孔隙率、失重率、氧化速率变化规律进行数值分析。结果表明:反应扩散与孔隙结构演化密切相关,氧化扩散会显著改变孔隙结构,孔隙结构演化会反过来影响氧化扩散进程;石墨内衬氧化扩散与孔隙结构演化受温度影响显著,温度越高,反应越快,孔隙率越大,槽体寿命越短。模型计算结果与实测结果基本一致,表明运用该模型对稀土电解槽石墨内衬在电解环境下氧化扩散与孔隙结构演化过程进行计算分析可行、有效。     

LSI制备具有SiC涂层的石墨材料及其性能研究

以鳞片石墨、氮化硼粉、氧化钇粉、氧化铝粉作为掺杂粉末,掺杂粉末与硅粉的混合粉末作为硅源,采用液相渗硅工艺在石墨基体材料表面制备SiC涂层。研究硅源中掺杂粉末含量对渗硅后石墨样品性能与结构的影响。XRD与SEM分析表明,经过1600℃渗硅处理后,硅源中的Si渗透到基体内部与碳发生原位反应生成SiC涂层,SiC涂层表面粘附硅少。当掺杂粉末总质量分数为12%时,制备的SiC涂层具有良好的抗氧化效果,材料在1300℃空气中氧化6 h失重率仅为1.39%。     

镍/石墨复合粉体及其热喷涂涂层新材料

以中间相碳微球为芯材,采用水溶液加压氢气还原方法制备了镍包覆石墨(Ni/C)复合粉体材料. 对比研究了该粉体及其热喷涂涂层与以普通人造石墨为芯材的Ni/C粉体及涂层的性能差异. 通过研究球形Ni/C涂层的热稳定性能,找到了在涂层工作温度下涂层硬度和质量随时间的变化规律. 另外通过对比研究镍与石墨及其混合粉末的氧化失重,探讨了400℃下镍对石墨氧化的催化作用. 火焰喷涂实验发现,球形Ni/C粉体在较低能耗条件下即能制备出合格的涂层,且喷涂工艺参数易于控制,涂层性能更加稳定,涂层硬度的波动范围比普通Ni/C涂层缩小了70%. 在400℃的大气气氛中,涂层硬度大约在20 h左右出现最大值,然后减小并趋于稳定. 氧化实验发现,镍与石墨的混合粉末在25~28 h之间出现增重最大值(0.25%),这与假设镍对石墨的氧化无催化作用时粉末持续增重的情况不同.     

耐高温氧化石墨材料抗氧化性能的研究

采用了改善炭石墨材料基体抗氧化性能和用磷酸无机高分子复合盐处理的内外结合的方法制备了一种耐高温氧化石墨。这种炭石墨材料的特点是保持着炭石墨基体材料的特性如自润滑性、耐磨性、硬度、强度等，适用于高温富氧条件下长时间工作的动密封材料。本文论述了耐高温氧化石墨的研制情况，并列出了在650℃以上不同温度下富氧条件下的氧化失重结果。分析结果表明这种耐高温氧化石墨材料在650℃下富氧条件中氧化失重达5％的时间为100小时。     

SiO2涂层/三维碳纤维编织体材料的氧化动力学和机理研究

采用溶胶-浸渍法,在三维碳纤维编织体的纤维表面涂覆SiO2涂层,通过XRD、SEM、等温氧化失重和非等温TG-DTG等测试手段研究了制备方法对涂层完整性的影响,并对涂层/编织体材料(CB)氧化反应的动力学和机理进行了系统研究.结果表明:采用该方法所得到的涂层均匀完整,与纤维表面结合良好;等温条件下,材料失重低于70%时,定温下,其失重率与氧化时间呈线性关系,反应速率常数随温度的升高而增大.材料的氧化过程随温度升高可分为2个阶段:第1阶段为反应控制,第2阶段为扩散和反应共同控制,分界点为600℃;非等温条件下,材料的氧化过程呈现自催化特征.     

抗氧化炭石墨材料的研究及高温氧化行为

采用了改善炭石墨材料基体抗氧化性能和用磷酸无机高分子复合盐处理后的内外结合的方法制备了一种抗氧化炭石墨材料。这种材料的特点是保持着炭石墨材料基体的特性如自润滑性，耐磨性、硬度、强度等，适用于高温富氧条件下长时间工作的动密封材料。参照ASTM─1179—91测试了650℃下空气中100小时的氧化失重。其氧化行为的分析结果表明，这种抗氧化石墨材料在650℃下空气中氧化失重达5％的时间为65小时，此时的氧化速率为4．4mg／g·hr。氧化60小时以后，氧化失重速率随时间的延长而迅速增加，出现了一个转折点。     

二硼化钛陶瓷在不同温度下的氧化行为

采用静态氧化法对不同温度下TiB2陶瓷的氧化行为进行研究,利用X射线衍射仪、扫描电镜、X射线光电子能谱仪对氧化前后的样品进行表征.结果表明:低温下TiB2陶瓷氧化动力学满足抛物线规律,并在表面形成液相B203,阻止氧化反应的进一步进行,冷却后B2O3以玻璃态覆盖在表面.高温下TiB2氧化反应在4h前满足抛物线规律,表面形成一层TiO2多孔结构;氧化4h后,随着氧扩散距离的延长,扩散阻力加大,从而使氧化速率降低,氧化反应不再满足抛物线规律.     

凹凸棒土基高温防脱碳涂层的研究

为了避免钢在热处理过程中表面发生氧化脱碳,以凹凸棒土(ATP)为主要原料,加入一定比例的Al2O3、SiC和Cr2O3等粉末和硅酸钾水溶液配制成涂料,刷涂于60Si2Mn和GCr15两种钢材表面并在60℃下烘干2 h形成涂层,然后对此涂层进行热处理温度850～1 150℃、保温时间30～120 min的高温防脱碳试验,并采用光学显微镜和X射线衍射仪等对涂层的保护效果和保护机制进行了研究。结果表明:该涂层能够显著降低这两种钢材的脱碳层厚度,并且随着保温时间的延长和加热温度的升高,涂层防脱碳性能仍然保持良好;该涂层通过形成致密覆盖层以及涂层中SiC的氧化反应而对钢材起到防脱碳作用。     

Oxidation behaviour of SiC ceramic coating for C/C composites prepared by pressure-less reactive sintering in wet oxygen: Experiment and first-principle simulation

SiC ceramic coating, for prevention of C/C composites against oxidation, was prepared by pressure-less reactive sintering to investigate the oxidation behaviour in an oxidising environment containing water vapour at 1773 K. The experimental results demonstrated that the oxidation behaviour of porous SiC ceramics could be divided into two stages, following the parabolic model, which was attributed to the variation in the contact area involved in the oxidation reactions. During the entire oxidation process, water vapour could accelerate the oxidation of the SiC ceramics, according to the weight change. By first-principle calculations, the accelerated oxidation rate of the SiC ceramics was attributed to weakened Si–O and Al–O bonds in the formed glassy scale, which were caused by hydroxide radicals from the water. Atomic thermal motions at high temperature could lead to the breakage of the network structure, promoting the diffusion and solution of oxidising gases. When the as-prepared SiC ceramics were applied as anti-oxidative coatings for the C/C composites, the SiC ceramic coating and C/C matrix could be sealed and protected faster per unit time, because water vapour was beneficial to the formation of a glassy layer. The weight loss of the C/C matrix could be attributed to unsealed microcracks inside the SiC coating in the initial stage.     

Effect of SiC-mullite coatings on oxidation resistance of graphite

Abstract

Two layers oxidation protecting coatings of SiC and mullite were successfully created on the graphite substrate by pack cementation and plasma spray methods, respectively. Phase synthesis was studied by X-ray diffraction. Microstructure and morphology were investigated by optical and scanning electron microscopes (SEM). X-ray diffraction results of the first coating showed that the secondary SiC was completely synthesised by the heat treatment of Si, Al₂O₃, C and SiC at 1500°C. Alumina and kaolin reaction at 1400°C led to the formation of mullite as the second layer. The oxidation resistance of two layers coating was considerably improved in comparison with mono layer coating and raw graphite. Oxidation resistance was decreased at higher temperatures in all samples. Formation of SiO₂ glassy phase improved the graphite oxidation resistance which was confirmed by SEM.     

Oxidation behavior of C–SiC composites with a Si–W coating from room temperature to 1500°C

Oxidation tests of carbon fiber reinforced silicon carbide composites with a Si–W coating were conducted in dry air from room temperature to 1500°C for 5 h. A continuous series of empirical functions relating weight change to temperature after 5 h oxidation was found to fit the test results quite well over the whole temperature range. This approach was used to interpret the different oxidation mechanisms. There were two cracking temperatures of the matrix and the coating for the C–SiC composite. Oxidation behavior of the C–SiC composite was nearly the same as that of the coated C–C composite above the coating cracking temperature, but weight loss of the C–SiC composite was half an order lower than that of the coated C–C composite below the cracking temperature. As an inhibitor, the SiC matrix increased the oxidation resistance of C–SiC composites by decreasing active sites available for oxidation. As an interfacial layer, pyrolytic carbon decreased the activation energy below 700°C. From 800°C to 1030°C, uniform oxidation took place for the C–SiC composite, but non-uniform oxidation took place for the coated C–C composite in the same temperature range. The Knudsen diffusion coefficient could be used to explain the relationship between weight loss and temperature below the coating cracking temperature and the matrix cracking temperature.     

炭／炭复合材料SiC／Mo（Six，Al1-x）2涂层形成机理与抗高温氧化性能

采用高温包渗技术在炭／炭复合材料表面制备了SiC／Mo（Six,Al1-x）2复合涂层,采用两步反应法研究了复合涂层的生成机理。发现复合涂层是由Si、Al2O3、SiC、MoSi2原始粉末材料与基体炭材料经过复杂化学反应生成的SiC、Mo（SixAl1-x）2以及微量Mo4．8Si3C0．6固溶体组成。在较低温度下（〈1750℃）,单质硅与基体碳的液-固相反应,经过2小时后可以在炭／炭复合材料表面和内部孔隙表面生成致密的SiC过渡涂层;在较高温度下（≤2000℃）,SiC、Al2O3和MoSi2间的反应较为复杂,其主要过程为SiC与Al2O3间生成液体硅、液体铝和气态SiO、Al2O的多相反应,该反应生成的液体铝能够与MoSi2颗粒发生置换反应,生成熔点降低的Mo（Six,Al1-x）2转移涂层;同时,生成的液体硅与CO反应生成晶须状β—SiC,并与Mo（Six,Al1-x）2形成增强型复合涂层。本文还研究了过量单质Si和SiC对Mo（Six,Al1-x）2的还原反应,化学反应推论与实验结果相吻合。以新提出的涂层生成机理为指导,以粉末原料质量组成为Si10％,Al2O3 10％,SiC54％和MoSi226％时所制得了致密并且无粘结的复合涂层材料,并研究了封孔处理后复合材料的抗氧化性能。     

莫来石结合碳化硅高温吸热陶瓷抗氧化性能的研究

以碳化硅及合成莫来石微粉为主要原料,制备了用于非真空太阳能吸热管的莫来石结合碳化硅高温陶瓷涂层。针对碳化硅基材料高温氧化问题,测定了样品的烧成增重率及亮度并结合XRD、SEM研究了莫来石结合碳化硅陶瓷的抗氧化性能。结果表明,莫来石添加量为20%,经1 380℃烧成样品的抗氧化性最好,其增重率为7.49%,亮度值为46.61。XRD分析烧结体主晶相为碳化硅(α-SiC)和莫来石(3Al2O3.2SiO2),并含有少量的方石英(SiO2),莫来石作为结合相在碳化硅晶粒周围形成"骨架",与SiO2玻璃相形成三围的网状保护层包裹在碳化硅表面,阻止碳化硅氧化。     

电致发热多孔碳化硅陶瓷的绝缘涂层

以异丙醇铝{Al[OCH(CH3)2]3}为原料,用溶胶-凝胶法制备氧化铝(Al2O3)溶胶,然后再以碳化硅(SiC)多孔陶瓷为基体,用浸渍提拉法对陶瓷进行涂层,涂覆完成后进行热处理即可在陶瓷表面和孔隙内部形成致密的Al2O3涂层.当涂层后的陶瓷用作电加热元件时,就可以达到陶瓷和流体绝缘的目的.从扫描电镜照片可以看出:在陶瓷表面及其孔隙内部确实涂覆了Al2O3涂层.Al2O3具有高电阻系数、高介电常数,抗氧化、耐腐蚀性等优异性能,所以,涂层后陶瓷的电阻率明显增加,可以弥补电致发热过程可能引起危险性的缺陷.Al2O3的涂覆也很好地改善了陶瓷成分SiC的氧化问题.结果表明:涂层中Al2O3的质量分数(下同)为43.1%,二氧化硅(SiO2)为38.8%,硅(Si)为18.1%.Al2O3是涂层物质的主要成分,SiO2有两种来源,一是作为基体的多孔陶瓷在渗硅过程中的剩余硅在陶瓷冷却过程中氧化生成存留于陶瓷中;二是陶瓷中的剩余硅在涂层的热处理过程中再次氧化形成.所以SiO2的含量相对较高,其中的硅显然就是陶瓷中的残留硅.     

不烧Al2O3-C质耐火材料在水蒸气中的抗氧化性能

对高炉炉身下部用不烧Al2O3-C质耐火材料在水蒸气环境下的抗氧化性能进行了实验研究.通过实验,总结出氧化规律,建立了不烧Al2O3-C质耐火材料的氧化动力学模型.此外,还对氧化前后试样的抗折强度进行了测定和比较.