在含碳材料中合成阿隆和赛隆的研究

将含石墨、刚玉、硅微粉或方镁石粉等的复合粉体在万能材料试验机上以150MPa的压力压制成圆柱形试样，在还原气氛于1420℃、1500℃和1600℃保温4h，通过碳热还原氮化法在试样中合成阿隆和赛隆。XRD分析证明，在1400％时出现少量阿隆和AIN多型体赛隆，温度继续升高至1600℃时合成量增加，但赛隆的合成速度远低于阿隆的合成速度，且含阿隆的试样致密性优于含赛隆的试样。     

高岭土在碳热还原氮化过程中的相变

系统研究了苏州高岭土碳热还原氮化合成SiAlON过程在不同温度下的相变。对试样的XRD、SEM以及EDXA分析结果表明 ,1 30 0℃之前 ,试样中没有氮化物生成 ,物相为莫来石、石英和方石英 ;1 30 0℃时 ,高岭土开始发生氮化反应 ,生成过渡型SiAlON和β SiAlON。此时 ,石英和方石英相基本消失 ;1 4 0 0℃时 ,过渡型SiAlON、β SiAlON和X SiAlON三相共存 ,β SiAlON有所增多并有少量刚玉相生成 ;从 1 4 50℃到 1 550℃ ,Z值为 3的β SiAlON成为惟一的氮化产物 ,与少量SiC和刚玉相并存。莫来石在 1 50 0℃时完全消失     

低品位铝土矿合成β-SiAlON的相变过程研究

采用XRD、SEM和EDS等手段 ,研究了低品位铝土矿碳热还原氮化合成SiAlON过程的相变。结果表明 :130 0℃开始氮化 ,形成Si2 N2 O和X SiAlON ;14 0 0℃开始形成 β SiAlON (z =3) ,X相明显增加 ;14 5 0℃时 ,β SiAlON (z =3)成为主要的氮化产物 ,并与少量的Si3 N4和刚玉并存 ;15 0 0℃开始形成 15R ,同时 ,β SiAlON的z值开始由 3变为 4 ;15 5 0℃时 ,15R和 β SiAlON成为主要物相 ,同时含有部分刚玉相和Si3 N4相。 14 5 0℃时 ,由低品位铝土矿合成纯净的 β SiAlON复合少量刚玉相粉体材料的最佳保温时间是 6～ 9h ,时间过短则含有较多的X相 ;时间过长则发生过量氮化 ,形成部分 15R和少量Si3 N4。     

粘土碳热还原氮化二步法制备β-Sialon结合刚玉复相材料

以天然粘土为原料 ,采用碳热还原氮化法合成了β Sialon粉体 ,再将它与刚玉复合 ,常压下烧结制备了β Sialon结合刚玉复相材料 ;研究了合成β Sialon粉体的反应过程和最佳工艺参数 ,在反应温度为 1 5 0 0℃ ,保温 6h ,碳的质量分数为2 0 % ,氮气流量为 1 .5L·min- 1 的工艺条件下 ,产物中的β Sialon可达 90 % (质量分数 )以上。测定了添加不同烧结助剂的 β Sialon结合刚玉复相材料的力学性能 ,并用SEM观察了其断口形貌 ,发现添加稀土氧化物La2 O3和Y2 O3的样品烧结相当致密 ,抗折强度分别为 1 72MPa和 2 0 1MPa。     

Al_2O_3-Si材料加热过程中物相组成和显微结构研究

以电熔刚玉骨料和细粉为主要原料,引入5%～8%的Si粉,以纸浆废液为结合剂制备了Al_2O_3-Si材料.研究了Al_2O_3-Si材料埋碳加热(1000～1600 ℃)过程中物相组成和显微结构的变化.结果表明: 1200 ℃烧后,Si开始与CO反应生成晶须状SiC,且晶须相互交叉连锁.1300～1400 ℃烧后,SiC晶须生成量明显增加,且发育长大,形成交叉连锁的网络填充在刚玉骨架结构中.1400 ℃烧后试样中还出现少量O'-SiAlON晶体.1500～1600 ℃烧后,SiC晶体发育长大,呈枝杈状和弯曲状.1400～1500 ℃烧后残留Si已熔化,发生塑性变形,起助烧结作用.     

石墨粒度对赛隆-石墨复相材料相组成和显微结构的影响

以氮化铝粉(w(AlN)=99%)、硅粉(w(Si)=99%)、活性氧化铝微粉(w(Al2O3>)=99%)和鳞片石墨为主要原料,在流动N2气氛下分别于1 480和1 550℃制备赛隆-石墨复相材料.研究了石墨粒度(300、125、45 μm)和烧成温度(1 480、1 550℃)对β-SiAlON合成率的影响,同时借助XRD、SEM等手段分析和观察了材料的物相变化和断口形貌.结果表明,在1 480和1 550 ℃下,石墨均阻碍了β-SiAlON的合成:在1 480℃,石墨阻碍了α-Si3N4向β-Si3N4转化,并且石墨粒度越小,阻碍作用越显著;在1 550℃,碳热还原反应加剧,石墨对15R-SiAlON的生成更有利,并且石墨粒度越小,生成15R-SiAlON的趋势越大.     

β-Sialon-Al2 O3-SiC系复相材料的研制和性能

研究了在 15 0 0℃的流动氮气中 ,用Al粉、Si粉、Al2 O3粉、刚玉和SiC的颗粒及细粉直接制备 β Sialon -Al2 O3-SiC系复相材料的氮化烧结技术。XRD和SEM分析表明 ,结合相 β Sialon的显微形貌随刚玉量的增加由纤维状向棱柱状转变 ,发育良好。复相材料的高温抗折强度高于常温抗折强度。抗热震试验结果显示 :添加适量的刚玉对β Sialon -SiC复相材料和添加适量的SiC对β Sialon -刚玉 复相材料都具有良好的增韧效果 ,这是β Sialon的纤维增强及柱状晶体原位自补强增韧和复合弥散相增韧综合作用的结果。抗碱和抗高炉渣试验均显示了该复相材料优良的抗碱和抗铁渣侵蚀能力。     

硅复合刚玉-氮化硅材料的性能、组成及显微结构

将由50% (质量分数,下同)氧化铝粉、37. 5%氮化硅粉和12. 5%硅粉组成的混合料和由62. 5%氧化铝粉和37. 5%氮化硅粉组成的混合料分别压制成试样,分别在空气和埋炭气氛中于1600℃保温2h烧成,然后检测试样的体积密度、显气孔率和常温耐压强度,并采用XRD、SEM、EDS等手段分析试样的物相组成和显微结构。结果表明:与未加硅粉的试样相比,加入硅粉的试样在两种气氛中烧成后,显气孔率较低,强度较大,说明硅对刚玉-氮化硅材料具有助烧结作用;在空气中烧成后,试样中残留有较多的单质硅,这些单质硅均匀分布于刚玉和氮化硅颗粒的空隙间;在埋炭气氛中烧成后,单质硅原位反应生成了O’SiAlON和SiC。     

高铝矾土-硅粉氮化合成SiAlON的过程研究

分别以w(Al2O3)为68.08%和45.56%的两种高铝矾土及硅粉为原料,按合成SiAlON的理论配比配料(Si粉过量5%),成型后在流动N2(流量为0.06~0.1m3.h-1)中进行热重分析,同时测定试样在不同温度(900~1500℃)保温6h后的质量变化,并分析氮化后试样的物相变化,从而探讨该试样的氮化过程及其机理。结果表明,高铝矾土-硅粉试样在流动N2中的氮化反应过程可大致分为3个阶段:1)Si粉氮化阶段(900~1200℃),Si粉氮化生成Si3N4和Si2N2O;2)SiAlON形成阶段(1300~1400℃),生成O’-SiAlON和β-SiAlON;3)β-SiAlON的生长发育阶段(1450~1500℃),部分O’-SiAlON转化为β-SiAlON,Al2O3在β-SiAlON中的固溶度增加。     

不同气氛下合成的SiAlON结合刚玉或碳化硅材料的研究

以刚玉细粉、碳化硅细粉、氮化硅细粉、α-Al2O3,微粉和金属Al粉为主要原料,聚乙烯醇为结合剂,经球磨、混练、困料和成型后,分别在空气裸烧(氧化气氛)、埋石墨粉(还原气氛)、埋石墨+碳化硅混合粉(还原气氛)3种气氛下进行1 600℃6 h热处理制备了SiAlON结合刚玉或碳化硅复合耐火材料,并研究了刚玉或碳化硅粉加入量(7.5%～90%,质量分数)和烧成气氛对SiAlON相的生成量、晶体形貌以及耐火制品的相组成、显微结构和性能的影响.结果表明:(1)随着刚玉粉含量的增加,3种气氛下烧后的SiAlON结合刚玉材料的致密度均增大,烧结性能增强;但氧化气氛下烧结性能好于还原气氛下的.(2)2种还原气氛下烧成的Si A10N结合刚玉试样的相组成均为刚玉、SiAlON和SiC;而在氧化气氛下烧成的试样出现了分层现象,其非氧化层主要为SiAlON、刚玉和少量的莫来石.(3)不同气氛下烧成的SiAlON结合刚玉材料中均有柱状或纤维状的SiAlON生成,但氧化气氛下的SiAlON柱状物比还原气氛下的要粗壮、完整得多,且成群生长.(4)随着SiC粉含量的增加,SiAlON结合碳化硅材料在2种还原气氛下烧后的致密度降低,烧结性能下降;而在氧化气氛下烧后严重氧化,形成了较厚的釉层.     

多型体SiAlON(12H,21R)结合刚玉耐火材料的制备及力学性能

以电熔白刚玉、矾土细粉、铝(Al)粉和硅(Si)粉为原料,通过原位氮化反应烧结工艺在较低温度(1 500 ℃)下制备了多型体SiAlON[12H(SiAl5O2N5),21R(SiAl6O2N6)]结合刚玉耐火材料.研究了多型体SiAlON含量对材料的体积密度、显气孔率、常温及高温抗折强度的影响.用X射线衍射和扫描电镜分析材料的物相组成及显微结构.结果表明:随多型体SiAlON含量的增加,材料的常温及高温抗折强度显著提高,多型体SiAlON的质量分数为15%时,1 400 ℃材料的抗折强度可达29MPa.显微结构的研究表明:多型体SiAlON(12H,21R结合刚玉耐火材料的高温断裂方式以穿晶断裂为主.     

TiO2/Al氮化合成复相TiN-Al2O3

从热力学角度讨论了Al作为还原剂还原氮化TiO2制备复相TiN-Al2O3的可行性.利用综合热分析、X射线衍射仪、扫描电镜及能谱仪分析研究了在1 100～1 500℃TiO2和金属Al粉还原氮化过程中样品的质量变化、相组成和显微结构.结果表明:在1 100℃合成产物中已有少量的AlN和TiN,说明A1的氮化反应以及TiO2和Al的还原氮化反应都已开始.在1200～1 300℃,TiN含量明显增加,AIN含量逐渐减少.在1 350℃,合成产物中只有TiN和Al2O3,说明还原氮化反应完成.继续提高温度,在1400～1 500℃,TiN和刚玉的晶粒长大.     

原料体系对Ti3SiC2合成过程中相组成和显微结构演变的影响

分别以粉末钛粉、硅粉、石墨和钛粉、碳化硅、石墨为原料,采用热压烧结法制备了Ti3SiC2材料,借助XRD和SEM手段研究了原料体系和烧成温度对试样相组成、致密化程度和显微结构的影响,并分析了反应烧结机理。结果表明:(1)随着温度的升高,钛粉-硅粉-石墨体系较钛粉-碳化硅-石墨体系合成出的Ti3SiC2块体材料纯度更高;(2)钛粉-硅粉-石墨体系在烧结温度低于1300℃时,主要以Ti5Si3、TiC和残余的硅粉、石墨反应生成Ti3SiC2,在烧结温度为1300～1600℃时,主要以形成的液相Ti-Si(L)与TiC反应生成了Ti3SiC2;钛粉-碳化硅-石墨体系在1485℃液相出现之后,颗粒经历重排和溶解再析出的过程,在液相中生成Ti3SiC2。     

反应烧结含ZrO_2的刚玉-莫来石及其碳结合材料的显微结构和高温力学性能

本文研究了反应烧结含ZrO_2的刚玉-莫来石材料及其碳结合材料的相组成,显微结构和力学性能。结果表明,对刚玉-莫来石材料由于加入氧化锆引起的微裂纹,中、低温强度趋于下降;但在1300℃以上,强度和抗蠕变性能都有明显上升。这可能是因为微裂纹得到一定弥合,同时氧化锆和莫来石之间形成晶界固溶。对碳结合刚玉-莫来石-氧化锆材料,在所有试验温度下,强度都随石墨加入量增加而下降。强度-温度曲线呈现两个特征:(1)由600℃至800℃强度下降,而由800℃至1000℃强度均有回升;(2)由1300℃至1400℃强度略有回升。这与金属粉添加剂在不同温度下的行为有密切关系。形成针状或纤维状的碳化物有利于提高强度。     

刚玉-莫来石-锌铝尖晶石复相材料的合成与烧结

热力学计算表明:在Al2O3SiO2ZnO三元体系中,硅酸锌(Zn2SiO4)和锌铝尖晶石(ZnAl2O4)生成Gibbs自由能在温度为1326.85℃以下是负值,莫来石(3Al2O3·2SiO2)的Gibbs生成自由能在温度为426.85℃以上是负值。系统中Al2O3富存的条件下,Al2O3可与Zn2SiO4反应生成锌铝尖晶石。以ZnO,SiO2,Al(OH)3为原料,通过固相反应合成刚玉莫来石锌铝尖晶石复相材料。研究烧结温度和气氛对刚玉莫来石锌铝尖晶石复相材料的合成与烧结性能的影响。用X射线衍射分析复相材料中的物相成分。用扫描电子显微镜观察复相材料的显微结构。结果发现:Al2O3SiO2ZnO三元体系在所选择的配料点,1300℃及1600℃时均能生成刚玉、莫来石、锌铝尖晶石3种物相,不会出现低熔点的硅酸盐相,这明显区别于Al2O3MgOSiO2三元体系,该体系在1500℃左右会出现低熔点相。试样在900℃烧成后出现锌铝尖晶石相。随着温度升高,试样的致密化过程加快,部分抵消了1300℃左右莫来石形成所产生的体积膨胀。当烧结温度高于1300℃时,试样的致密化过程大大加快。还原性气氛不利于刚玉莫来石锌铝尖晶石复相材料的合成与烧结。     

矾土基β-SiAlON结合刚玉-碳化硅复合材料的制备及性能

采用电熔刚玉(≤0.088mm、≤1mm和3～1mm三种粒度)、碳化硅颗粒(3～1mm)、Al2O3微粉、高铝矾土粉、Al粉和Si粉为原料,通过1500℃5h氮化反应制备了矾土基βSiAlON(z设计值为2)结合刚玉-碳化硅复合材料,研究了碳化硅颗粒加入量(分别为0、10%、20%、30%、40%)、Al2O3微粉加入量(分别为0、1%、3%、5%、7%)和βSiAlON理论生成量(分别为15%、20%和25%)对复合材料密度、显气孔率和常温强度的影响,以及不同βSiAlON理论生成量试样的热态抗折强度与温度(400～1400℃)的关系,并借助于XRD、SEM和EDS对复合材料进行了相组成和显微结构分析。结果表明:(1)随碳化硅颗粒加入量的增加,复合材料的体积密度下降,显气孔率和常温强度增加,加入30%碳化硅颗粒时,材料的综合性能较好。(2)随Al2O3微粉加入量的增加,复合材料的体积密度增加,显气孔率下降,其加入量以3%为宜。(3)复合材料的热态抗折强度随温度升高而增加,在1000℃时达到最高值;1000℃以后,强度下降,但在1400℃,βSiAlON理论生成量为20%和25%的矾土基βSiAlON结合刚玉-碳化硅复合材料的强度仍高于其常温时的强度。其原因是互相交错的柱状βSiAlON结合相填充在刚玉和SiC骨架的空隙中,起到了增强、增韧的作用。     

叶蜡石在碳热还原氮化过程中的相变

研究了叶蜡石在不同温度下碳热还原氮化合成SiAlON过程中的相变。SEM、XRD以及EDS分析结果表明 :130 0℃开始氮化形成O’ SiAlON ,14 0 0℃时O’ SiAlON的XRD峰已经很明显 ,14 5 0℃时O’ SiAlON大量生成并在 15 0 0℃时达到最大值 ;14 5 0℃时开始形成β SiAlON(z=2 )和少量SiC ;15 5 0℃时 ,β SiAlON成为主要的氮化产物 ,与少量的O’ SiAlON并存 ;莫来石和方石英直到 15 0 0℃仍然存在 ,15 5 0℃消失。     

催化氮化反应Si_3N_4增强SiC基复相耐高温材料的研究

为解决Si_3N_4结合SiC复相材料氮化不完全产生"黑心"/"夹心"以及强度有待提高的问题,本文在探讨Fe、Co、Ni等催化剂对Si粉催化氮化过程的基础上,研究了催化剂Co的加入对原位催化Si粉氮化反应形成Si_3N_4结合SiC复相耐高温材料的物理性能与显微结构特征的影响。结果表明:催化剂Fe、Co、Ni能够有效促进Si粉的氮化以及Si_3N_4纤维的形成,同时能够降低氮化反应的温度。1400℃氮化烧结后,当Co加入量为0.5wt.%时催化氮化制备的Si_3N_4结合SiC复相材料的强度达到最大60.2 MPa,比未添加Co的提高了88.7%,可能是由于形成了大量的纤维网络结构强化了SiC基质。     

浇注成型SiAlON结合刚玉质透气砖的研制

以板状刚玉为骨料,Al2O3微粉、Si粉为主要基 质成分,采用振动浇注成型方式生产SiAlON结合刚玉 质材料。研究了不同结合体系以及Si粉和烧结助剂加 入量对材料性能的影响。选择水化结合体系,Si粉加入 量9.5%,烧结助剂0.5%的配方进行抗渣性研究,探讨 材料的抗渣机理。在实验室工作基础上于工业氮化炉 内于1450℃左右氮化烧成,生产出强度高,热震稳定性 和抗渣性能良好的SiAlON结合刚玉质透气砖。     

Al_2O_3-Si材料埋炭加热过程中性能和显微结构的变化

以电熔刚玉(骨料和细粉)和Si粉(加入质量分数为5%或8%)为原料,以纸浆废液为结合剂,压制成Al2O3-Si样坯,在1000～1600℃埋炭加热后,检测其物相组成、显微结构和性能的变化。结果表明:(1)1100℃以前物相和结构没有变化;(2)1200℃烧后,Si开始与CO反应生成晶须状SiC,且晶须相互交叉连锁,材料开始烧结,其高温抗折强度和抗热震性明显提高;(3)1300～1400℃烧后,SiC晶须生成量明显增加,且发育长大,形成交叉连锁的网络结构填充在刚玉骨架中,材料烧结良好,具有更高的高温强度和更好的抗热震性,而且1400℃烧后试样中还出现少量O’-SiAlON晶体;(4)1500～1600℃烧后,SiC晶体发育长大,呈枝杈状和弯曲状,SiC生成量略有增加,试样的高温强度和抗热震性变化不明显,表明在此温度范围材料烧结基本完成。