Si粉氮化法合成Si3N4-SiC材料

以SiC、Si粉和Al2O3微粉为主要原料,羧甲基纤维素(CMC)为临时结合剂,采用氮化反应烧结法合成了Si3N4-SiC材料,主要研究了Si粉的粒度(≤0.074、≤0.044 mm)和加入量(质量分数分别为15%、17%、19%、21%)、烧成温度(分别为1 380、1 400、1 420、1 430、1 440、1 460和1 480℃)、Al2O3微粉添加量(质量分数分别为0、1%、2%、3%、4%,取代相应量的SiC粉)对Si3N4-SiC材料的显气孔率、体积密度、常温耐压强度、常温抗折强度、高温抗折强度及Si3N4含量的影响。结果表明:1)采用粒度较细Si粉的试样具有较高的致密度、常温强度、高温抗折强度和Si3N4含量;随着Si粉加入量的增加,试样的致密度略有增大但变化不大,常温强度和Si3N4含量逐渐增大,而高温抗折强度先增大后减小;2)适当提高烧成温度会明显改善Si3N4-SiC材料的高温抗折强度,但当温度超过1 440℃反而略有下降;3)添加Al2O3微粉对烧后试样的致密度、常温强度和高温抗折强度有益。综合来看,Si粉的适宜添加量(质量分数)为17%,较适宜的烧成温度为1 420～1 440℃,Al2O3微粉的适宜添加质量分数为2%。     

新型氮化硅质耐火材料的制备与性能分析

以闪速燃烧法合成的不同粒度的氮化硅铁颗粒(w(Si)=48.76%,w(N)=30.65%,w(Fe)=14.15%,w(O)=2.2%,w(Al)=0.8%)作为骨料,以粒度≤0.088 mm的氮化硅铁粉和Si粉(w(Si)=98.22%,w(Al)=0.15%)作为细粉,经混料、困料、成型、干燥和1 450℃保温24 h氮化烧成等工艺,制备了以Si_3N_4为主晶相的新型氮化硅质耐火材料。检测结果表明:所制备试样的显气孔率为29.2%,体积密度为2.39g·cm~(- 3),常温耐压强度为151 MPa,常温抗折强度为40.3 MPa,1 400℃高温抗折强度为12.2 MPa;其物相组成(w)为:β-Si_3N_472.03%,α-Si_3N_49.20%,Si_2N_2O 6.23%,Fe3Si 11.60%,Si O_20.94%。在高温条件下,随着体系中氧分压的不断降低,絮状的Si_2N_2O和Si_3N_4结合相主要由体系气相组分中的Si O、Si蒸气与N2、O_2反应形成。     

Mo粉加入量对反应烧结MoSi2-Si3N4-BN复合材料性能的影响

以Si粉(w(Si)=99%)、Mo粉(w(Mo)=99%)和六方BN粉(w(BN)≥98%)为原料,Fe2O3(w(Fe)≥69.8%)为烧结助剂,高纯氮气(ψ(N2)=99.99%)为反应气体,采用反应烧结法于1 450 ℃氮气气氛下保温5 h原位合成了MoSi2-Si3N4-BN复合材料.研究了Mo粉加入量(W)为:0、5%、10%、15%、20%、30%时对材料的显气孔率、体积密度和抗折强度的影响,利用XRD研究了Mo粉不同加入量下复合材料的物相组成,并利用SEM对材料表面和断面形貌进行了观察,同时探讨了Mo5Si3的形成机理.结果表明:随着原料中Mo粉加入量的增加,所制备的复合材料显气孔率增大,体积密度和抗折强度减小.材料中含有α-Si3N4、β-Si3N4、BN、MoSi2和少量的Mo5Si3相.原位生成的MoSi2及少量的Mo5Si3均匀地分散在材料中,其晶粒尺寸为2～3 μm.随着原料中Mo粉加入量增加,Mo5Si3的生成量越来越多;当Mo粉加入量为30%时,Mo在材料中主要以Mo5Si3的形式存在.Mo5Si3的生成机理为MoSi2失去Si转化而成.     

B4C添加量对Al2O3-C材料性能的影响

以板状刚玉(粒度≤1、≤0.075 mm)、Al-Si合金粉(粒度为50μm)、α-Al₂O₃微粉(粒度为5μm)、鳞片石墨(粒度≤0.074 mm)和B₄C粉(粒度为20μm)为原料，硝酸镍为催化剂，酚醛树脂为结合剂制备了Al₂O₃-C材料，研究了B₄C添加量(加入质量分数分别为0、3%、6%和9%)对Al₂O₃-C材料性能的影响。结果表明：1)随着B₄C添加量的增加，试样的线变化率明显减小，常温抗折强度和耐压强度明显增大；当B₄C添加量为3%(w)时，试样经1 450℃处理后的线变化率降至0.65%,常温抗折强度和耐压强度最高，分别为28.7和57.3 MPa。2)当B₄C添加量为6%(w)时，试样经1 400℃空气气氛氧化后的氧化指数降至3.9%,抗氧化能力明显增强。     

硅粉加入量对Si_3N_4结合刚玉材料性能的影响

为了研究Si_3N_4结合刚玉材料的性能,以电熔棕刚玉颗粒(w(Al_2O_3)95.4%,粒度3~1和≤1 mm)、电熔棕刚玉细粉(w(Al_2O_3)95.4%,d50=75μm)和硅粉(w(Si)99.0%,d50=75μm)为主要原料,通过原位氮化烧结工艺制备了Si_3N_4结合刚玉复合材料,研究了硅粉加入量(w)分别为10%、15%和20%时材料的介电性能、力学性能及抗热震性能,并对其物相和显微结构进行分析。结果表明:硅粉加入量(w)由10%增加到20%,材料的常温力学性能及热膨胀系数下降,抗热震性能有明显的提高;当硅粉加入量(w)为20%时,复合材料在1 100℃水冷热震50次时,试样表面仍无剥落,表现了良好的抗热震性。     

空气气氛中烧成Si3N4-SiC复合材料的性能、相组成和显微结构

以氮化硅细粉(粒度＜0.088 mm,w(β-Si3N4)＞95%)、碳化硅(w(SiC)＞98%,粒度分别为2.8～0.9mm、0.9～0.15 mm、＜0.115 mm和＜0.063 mm四级)、硅粉(粒度＜0.045 mm,w(Si)＞98%)和硅灰(w(SiO2)=98.3%)为原料,以木质素磺酸钙水溶液作成型结合剂,采用150 MPa的压力成型为65 mm×114 mm×230mm的Si3N4-SiC、Si3N4-SiC-Si和Si3N4-SiC-SiO2三种试样.在空气气氛中,以50℃·h-1的升温速度升至800℃保温4 h,再升至1450℃保温2 h,自然冷却至室温后,测定烧成后试样的常温耐压强度、常温抗折强度、1400℃下的高温抗折强度、显气孔率、体积密度和残氮率,并采用XRD、SEM和EPMA等手段分析烧后试样的相组成和显微结构.结果表明3种试样在空气气氛中烧成后的高温(1400℃)和常温抗折强度都比较高,显气孔率都比较低,而耐压强度则以Si3N4-SiC试样的最高;烧成后试样中心区域的残氮率以Si3N4-SiC-Si试样的最高,Si3N4-SiC-SiO2试样的次之,Si3N4-SiC试样的最小;在空气气氛中烧成后,Si3N4-SiC试样中的Si3N4分解较多,SiC-Si3 N4-Si试样的表面和内部都明显含有单质Si,SiC-Si3N4-SiO2试样表面区域的Si2N2O晶体发育很好,而内部区域的晶体发育较小.     

造孔剂NH_4F和氮化温度对合成12H(AlN-多型体)的影响

以Al粉(w(Al)=99%,d50=24μm)、Si粉(w(Si)=99%,d50=42μm)、电熔白刚玉(w(Al2O3)=99.30%,粒度≤45 μm)为主要原料,外加少量造孔剂NH4F(分析纯),经高温(保温5 h)氮化合成了12H粉体.研究了氮化温度(分别为1 450、1 500和1 550 ℃)、NH4F外加量(分别为0、1%、3%和5%)对12H合成率的影响.结果表明:试样在升温过程中逐渐致密化,导致其氮化不完全,12H含量较低;加入NH4F能显著促进试样氮化,提高12H含量,15R、21 R、12H三种多型体氮化时很容易同时出现,但随氮化温度的升高,15R和21R逐渐转化为12H.     

六方氮化硼复合氧化铝耐火材料的性能研究

以粒度为3~1和≤1 mm的板状刚玉为骨料,板状刚玉细粉、α-Al2O3微粉和Si粉为细粉,分别添加质量分数为3%的六方氮化硼、3%和10%的鳞片石墨制备了Al2O3-BN和低碳、高碳Al2O3-C三种试样,并对比了其常温物理性能、高温强度、抗氧化性、抗热震性和抗渣侵蚀性。结果表明:1)Al2O3-BN耐火材料的常温、高温物理性能与低碳铝碳材料相差不大,并优于传统高碳铝碳材料;2)Al2O3-BN耐火材料具有比碳复合耐火材料更好的抗热震性和抗氧化性,抗渣性与低碳铝碳材料的相当;3)考虑到材料的整体性能,六方氮化硼可以替代石墨作为原料,用于制备综合性能优异的氧化铝质复合耐火材料。     

原位生成陶瓷相结合Ti(C,N)复合材料及其性能研究

以TiO₂粉、鳞片石墨和Si粉为原料，采用碳热还原氮化法在1 450℃保温2 h制备了陶瓷相结合Ti(C,N)复合材料。研究了Si粉加入量(加入质量分数分别为0、5%、15%、25%)对材料物相组成、显微结构、物理性能及抗氧化性的影响。结果表明：适量Si粉的引入有利于细化Ti(C,N)晶粒，提高Ti(C,N)复合材料的常温力学性能与抗氧化性。当Si粉加入量为5%(w)时，原位生成陶瓷相结合Ti(C,N)复合材料的综合性能较优，其显气孔率、常温抗折强度和常温弹性模量分别约为(38.8±1.6)%、(62.5±2.4)MPa及(59.6±2.2)GPa。随Si粉加入量(w)进一步增加至15%或25%,复合材料的体积密度和力学性能下降。     

ZrO_2微粉加入量对刚玉-尖晶石浇注料性能的影响

为了进一步提高刚玉-尖晶石浇注料的高温使用性能,以粒度为6~3、3~1和≤1 mm的板状刚玉颗粒为骨料,d_(50)=10μm的尖晶石微粉、d_(50)=2.56μm的氧化铝微粉、≤0.044 mm的板状刚玉粉、d50=42.00μm的ZrO_2微粉为细粉,铝酸盐水泥为结合剂,按骨料与粉料质量比为68∶32进行配料,研究了ZrO_2微粉加入量(w)分别为0、3%、6%和9%时对刚玉-尖晶石浇注料常温物理性能、高温抗折强度和抗渣性能的影响,并结合XRD、SEM等对其物相和显微结构进行分析。结果表明:1)试样经1 600℃高温处理后,随着ZrO_2微粉加入量的增大,由于ZrO_2发生相变和生成CaZrO_3,使得线变化率和显气孔率增大,结构变得疏松,常温强度降低;2)ZrO_2的加入提高了试样的高温抗折强度,部分缘于生成Ca Zr O3使结构变得致密,部分缘于相变增韧;但随着ZrO_2微粉加入量增大,抗折强度又略有降低;3)ZrO_2的加入,提高了试样的抗渣性能,主要原因在于ZrO_2与钢渣中的CaO反应生成CaZrO_3,阻止了钢渣的进一步侵蚀与渗透。在本试验条件下,ZrO_2最佳引入量为3%(w)。     

Al2O3-SiC复相粉对Al2O3-SiC-C材料性能的影响

以电熔白刚玉(3～1、≤1、≤0.044 mm)、Al2O3-SiC复相粉(d50≤5μm)、α-Al2O3微粉(d50=1.2μm)、SiC粉(≤0.044 mm)、鳞片石墨(≤0.088 mm)、Si粉(d50=42.8μm)和B4C(d50≤10μm)为主要原料,热固酚醛树脂为结合剂,研究了分别用4%、8%、12%、16%质量分数的Al2O3-SiC复相粉等比例取代α-Al2O3微粉和SiC细粉对Al2O3-SiC-C试样在180℃固化后和1 000、1 500℃埋焦炭热处理后的显气孔率、体积密度、常温抗折强度、常温耐压强度、高温抗折强度(1 400℃)、抗热震性(1 100℃,水冷)以及抗氧化性(1 000、1 500℃)的影响。结果表明:随Al2O3-SiC复相粉加入量的增加,试样经180℃固化后常温性能下降,1 000℃热处理后常温性能变化不大,1 500℃热处理后除耐压强度显著提高外,其余各项常温性能变化不大;而高温抗折强度下降,抗热震性明显提高,试样经1 500℃氧化后的抗氧化性以加入4%质量分数复相粉的最佳。其原因可能是由于该复相粉的粒度更细,反应活性更高,其氧化层中更易生成莫来石,形成表面致密层从而有效地阻碍氧气向材料内部扩散。     

高能球磨法制备ZrB2-Al2O3复合粉体

以金属Al粉(w(Al)=99%,粒度≤45μm)、ZrO2粉(w(ZrO2)=99%,粒度≤3.5μm)和B2O3粉(w(B2O3)=98%,粒度≤5μm)为原料,按n(Al)∶n(ZrO2)∶n(B2O3)=10∶3∶3混合后装入高能球磨罐中,在氩气保护条件下以560r.min-1的转速球磨2h后,取样进行XRD和SEM分析。结果表明:采用金属Al粉、ZrO2和B2O3为原料,在2h的较短时间内经高能球磨合成ZrB2-Al2O3复合粉体,其合成机理为机械碰撞诱发的自蔓延反应;所得到的复合粉体中,ZrB2为微米级,Al2O3为纳米级。     

MgAlON-MgAl_2O_4复合材料的制备与性能研究

为了制备具有良好性能的MgAlON-MgAl_2O_4复合材料以替代含铬耐火材料,以电熔镁铝尖晶石(粒度1~3、≤1和≤0.074 mm)、活性α-Al_2O_3粉(2~5μm)、Al粉(≤0.074 mm)、Mg O粉(≤0.044 mm)为原料,采用原位生成MgAlON的方法制备了MgAlON-MgAl_2O_4复合材料。通过调整配料中α-Al_2O_3粉+Al粉+Mg O混合粉(三者的质量比固定为76∶12∶12)的加入量(在整个固态配料中的质量分数分别为15%、20%、25%和30%)来调整MgAlON的设计生成量,研究了MgAlON设计生成量对MgAlON-MgAl_2O_4复合材料致密度、常温强度、物相组成和显微结构等的影响。结果表明:1)随着α-Al_2O_3-Al-Mg O混合粉加入量的增加,复合材料中MgAlON相生成量增多;但当α-Al_2O_3+Al+Mg O混合粉加入量达到30%(w)时,复合材料中有副产物Al4O4C生成。2)随着α-Al_2O_3+Al+Mg O混合粉加入量从15%(w)增加到25%(w),复合材料中MgAlON晶粒发育程度逐渐变好,与MgAl_2O_4颗粒的结合也逐渐紧密;但当α-Al_2O_3+Al+Mg O混合粉加入量达到30%(w)时,复合材料基质中有明显微气孔出现,致密性和均匀性变差。3)随着α-Al_2O_3+Al+Mg O混合粉加入量的增加,复合材料的烧后体积密度和显气孔率变化不大,常温耐压强度和常温抗折强度变化明显,烧成线变化率由微收缩变为微膨胀。4)综合考虑,α-Al_2O_3+Al+Mg O混合粉加入量为25%(w)的试样的性能最佳。     

反应烧结制备Si3N4-BN复合材料

以Si粉和BN粉为原料,Fe2O3为烧结助剂,采用反应烧结法于1450℃氮气气氛下制备了Si3N4-BN复合材料. 利用XRD研究了不同烧结制度和BN含量下复合材料的物相组成,利用SEM对材料断面形貌进行了观察,并测定了不同BN含量材料的显气孔率、体积密度和常温抗折强度,同时探讨了Fe2O3的助烧机理和b-Si3N4的形成机理. 研究结果表明,当氮化温度为1450℃、保温时间为45 h时,Si可完全氮化,材料中主晶相仅为Si3N4和BN. 随着BN含量的增加,相对密度和常温抗折强度下降,b-Si3N4含量增多. 当BN含量为30%时,其相对密度为73.3%,抗折强度可达52.5 MPa,同时b/a相比为3.4.     

α-Al2O3微粉加入量对镁铬材料性能的影响

为了提高RH精炼炉用镁铬质耐火材料的使用寿命,以质量分数为80%的电熔镁铬砂(粒度为3~1、≤1、≤0.088 mm)和20%的印度铬矿砂(粒度为≤1和≤0.074 mm)为基础配方,分别用质量分数为2%、4%、6%的活性α-Al2O3微粉(d90=5.376μm)等量取代电熔镁铬砂细粉,外加4%质量分数的亚硫酸纸浆废液为结合剂,经混练、成型、干燥后,分别经1 500、1 600、1 650、1 700和1 750℃热处理,然后检测试样的常温抗折强度、常温耐压强度、烧后永久线变化率、显气孔率、体积密度、高温抗折强度和抗渣性能。结果表明:1)加入α-Al2O3微粉能明显提高试样的常温抗折强度;2)随着α-Al2O3微粉加入量(w)从4%增加到6%,试样的高温抗折强度增加;3)加入6%(w)α-Al2O3微粉可以降低试样的显气孔率,提高其致密度,进而提高试样的综合性能。     

Si_3N_4-Al_2O_3-SiO_2体系高温还原条件下的物相变化

以闪速燃烧合成的Si3N4(w(Si3N4)≥95%,粒度≤0.044 mm)、α-Al2O3微粉(w(Al2O3)≥99%,d50=1.2μm)及SiO2微粉(w(SiO2)≥92%,粒度≤μm)为原料,按照m(Si3N4):m(Al2O3):m(SiO2)=4:4:2比例混合,液压成型为φ20 mm×20 mm试样在埋炭(不接触焦炭)条件下分别于1 300、1 400、1 500、1 600℃保温6 h处理后进行XRD分析.结果表明:1 300 ℃的新生物相主要为Si2N2O和方石英,SiO2微粉方石英化明显;1 400 ℃的新生物相主要为Si2N2O、方石英和O'-SiAlON;1 500 ℃的新生物相为Si2N2O、方石英、O'-SiAlON、X相及莫来石;与1 500 ℃相比,1 600 ℃的新生物相没有变化,但是Si2N2O、O'-SiAlON、X相及莫来石的生成量增加明显,方石英生成量显著减少.     

石墨加入量对Al_2O_3-SiC-C不烧制品性能的影响

为了研究石墨加入量对Al_2O_3-SiC-C不烧制品性能的影响,以w(Al_2O_3)95%、粒度3~1和≤1 mm的电熔棕刚玉,w(SiC)≥98.5%、粒度≤1和≤0.088 mm的碳化硅,w(C)≥95%、粒度为0.15 mm的石墨,以及Al粉、Si粉为主要原料,采用热固性酚醛树脂为结合剂,经高速混练15 min后,以150 MPa压力压制成坯体试样。将各坯体试样在60℃干燥6 h,然后在120℃干燥6 h,最后于180℃干燥12 h制备了Al_2O_3-SiC-C不烧制品。采用国家标准检测材料常温物理性能和高温力学性能,采用对比方法检测了材料的抗氧化性和抗侵蚀性。结果表明:1)当石墨加入量(w)由6%增加至18%时,试样的显气孔率、体积密度和常温力学性能均呈下降趋势;高温抗折强度先上升后下降,在石墨加入量(w)为9%时达最大值;2)随石墨加入量增加,抗热震性略有增加;3)石墨加入量为9%(w)时抗侵蚀性最佳,继续增加石墨加入量,抗侵蚀性下降;4)随着石墨加入量的增加,试样的抗氧化性能明显下降。     

炭黑对镁质浇注料性能的影响

以配料组成(w):≤3 mm的高纯镁砂82%、≤3μm的SiO2微粉6%、≤0.043 mm的SiC微粉9%、≤0.045 mm棕刚玉微粉3%、≤0.045 mm的Al粉0.5%(外加)为基础配方,用炭黑替代部分镁砂粉研究了炭黑添加量(w)为0、0.2%、0.4%、0.6%时对镁质浇注料施工性能、力学性能及抗渣性能的影响。结果表明:在加水量一定的情况下,随着炭黑加入量的增加,浇注料的流动性能逐渐降低;干燥后试样的抗折强度和耐压强度均高于1 500℃3 h热处理试样的;不同气氛下烧结,浇注料的抗渣性呈现逐渐增强的趋势,在炭黑加入量为0.2%~0.4%(w)时,浇注料具有较好的常温物理性能及抗渣性。     

添加Si粉和Si3N4粉对Al2O3-SiC材料抗侵蚀性的影响

以40%～46%(质量分数,下同)的烧结刚玉(8～1 mm)和30%的碳化硅(0.5～0.074 mm)为主要原料,SiO2微粉(d50=2 μm)、高铝水泥、α-Al2O3微粉(d50=4 μm)等为辅助原料,Si粉(≤0.074 mm)和Si3N4粉(≤0.074 mm)为添加剂,外加定量的水和分散剂而制成Al2O3-SiC复合材料.利用回转侵蚀试验研究了分别添加3%和6%的Si粉或Si3N4粉对Al2O3-SiC复合材料抗高炉渣(碱度为1.3)侵蚀性能及表面致密层状况的影响.试验结果表明:添加Si粉有利于试样表面致密层的形成,明显改善其抗侵蚀性能,且随着Si粉添加量增加,致密层厚度增加;而添加Si3N4粉对表面致密层的形成和改善抗渣性能并没有明显贡献.     

NiO催化氮化制备Si_3N_4/SiC复合材料及其高温性能

以原位生成的NiO纳米颗粒为催化剂,采用催化氮化的方法制备Si3N4/SiC复合材料,研究了所制备复合材料的常温物理性能、高温力学性能、抗热震性、抗氧化及抗冰晶石侵蚀性能。结果表明:1)所制备Si3N4/SiC复合材料的常温耐压强度及抗折强度值分别为131.0及24.6MPa;2)Si3N4/SiC复合材料的高温抗折强度随着温度的升高而增加,1573K时达到最大值后又缓慢下降,但即使1673K时复合材料的高温抗折强度仍高于其常温抗折强度;3)Si3N4/SiC复合材料具有较好的抗热震性能,当实验温度为1573K,采用水冷时,其强度保持率仍有50%左右;4)所制备Si3N4/SiC复合材料开始氧化温度约为1173K,其抗氧化性能优于无催化剂时制备的Si3N4/SiC复合材料;5)所制备的复合材料具有良好的抗冰晶石侵蚀性能。由于NiO纳米颗粒催化生成大量的Si3N4晶须,这些晶须交互分布在骨料之间,形成网络状结构,从而提高了复合材料的性能。