添加硅的SiC基澆注料的碳化、氮化改性及結合體系的影響研究

1、 添加硅的添加硅的SiC基澆注料的碳化、氮化改基澆注料的碳化、氮化改性及結合體系的影響研究性及結合體系的影響研究河南科技大學高溫材料研究院河南科技大學高溫材料研究院2012年年8月月3日日碳化硅和碳化硅和SiC耐火材料耐火材料高溫結合相高溫結合相氧化物結合相氧化物結合相粘土粘土二氧化硅二氧化硅莫來石莫來石剛玉剛玉非氧化物結合相非氧化物結合相l(xiāng)氨化硅氨化硅l碳化硅碳化硅l塞?。ㄈ。⊿iAlONSiAlON）l氧氮化硅（氧氮化硅（SiSi2 2N N2 2O)O)什么是塞?。ㄊ裁词侨。⊿IalonSIalon) ) SialonSialon:Al2O3:Al2O3固溶到固溶到Si3N4Si3N

2、4晶格中形成的固溶體，包括晶格中形成的固溶體，包括-Sialon-Sialon、-Sialon-Sialon、O-SialonO-Sialon、X X相以及一系列多型體。相以及一系列多型體。 合成合成SialonSialon的反應原理的反應原理 氮化反應：氮化反應： 3Si+2N3Si+2N2 2 Si Si3 3N N4 4 生成生成Si2N2Si2N2的反應：的反應： 3Si+SiO3Si+SiO2 2+2N+2N2 2 2Si 2Si2 2N N2 2O O 生成生成-Sialon-Sialon的反應：的反應： （6-z6-z）si+z/3Al+z/3Alsi+z/3Al+z/3Al2

3、2O O3 3+ +（8-z8-z）N N2 2 Si Si6-z6-zAlAlz zO Oz zN N8-z8-z 生成生成O-SialonO-Sialon的反應：的反應： （2-x)Si2-x)Si2 2N N2 2O+xAlO+xAl2 2O O3 3 2Si 2Si2-x2-xAlAlx xO O1+x1+xN N2-x2-x 其中，其中，0 0z z4.24.2；0 0 x x0.20.2氧氮化硅氧氮化硅氧氮化硅是一種優(yōu)良的高溫結合相，氧氮化硅是一種優(yōu)良的高溫結合相，SiSi2 2N N2O2O可由可由SiSi或或SiOSiO2 2與與SiSi3 3N N4 4在在N N2 2和和O

4、 O2 2氣氛下或埋炭條件下反應生成，方程式為：氣氛下或埋炭條件下反應生成，方程式為： 2Si+N2Si+N2 2+1/2 O+1/2 O2 2 Si Si2 2N N2 2O O 3Si+2N 3Si+2N2 2+SiO+SiO2 2 2Si 2Si2 2N N2 2O O Si Si3 3N N4 4+SiO+SiO2 2 2Si 2Si2 2N N2 2O O 2Si+N 2Si+N2 2+CO Si+CO Si2 2N N2 2O O非氧化物結合的碳化硅耐火制品非氧化物結合的碳化硅耐火制品1 1、氮化硅結合碳化硅（氮化硅結合碳化硅（SiSi3 3N N4 4-SiC-SiC）：）： 具

5、有良好的物化性能、高溫性能，使用溫度達具有良好的物化性能、高溫性能，使用溫度達15001500，在，在磨具、冶金和日用、電子陶瓷等行業(yè)得到廣泛應用。磨具、冶金和日用、電子陶瓷等行業(yè)得到廣泛應用。2 2、塞隆結合碳化硅（塞隆結合碳化硅（SiAlON-SiCSiAlON-SiC）：）： 與與SiSi3 3N N4 4-SiC-SiC磚相比，顯示出更高的抗熔融堿鹽侵蝕和抗磚相比，顯示出更高的抗熔融堿鹽侵蝕和抗鐵水沖刷能力，高溫強度，抗氧化性，熱震穩(wěn)定性能更優(yōu)。鐵水沖刷能力，高溫強度，抗氧化性，熱震穩(wěn)定性能更優(yōu)。3 3、氮氧化硅結合碳化硅（氮氧化硅結合碳化硅（ SiSi2 2N N2 2O-SiCO-

6、SiC）：）： SiSi2 2N N2 2O O兼有兼有SiOSiO2 2和和SiSi二者的部分特點，是一種優(yōu)良的高溫結二者的部分特點，是一種優(yōu)良的高溫結合相。與合相。與SiSi3 3N N4 4有相似的性能，但其抗氧化性優(yōu)于后者。有相似的性能，但其抗氧化性優(yōu)于后者。碳化硅基澆注料預制件碳化硅基澆注料預制件澆注成形的優(yōu)點：澆注成形的優(yōu)點： 成形大尺寸，薄壁等異形構件；成形大尺寸，薄壁等異形構件； 更大的臨界粒度；更均一的組織結構；更大的臨界粒度；更均一的組織結構； 生產過程簡化；生產成本降低。生產過程簡化；生產成本降低。須探明的關鍵問題：須探明的關鍵問題：n 結合體系的適應性結合體系的適應性n

7、 單質硅的反應單質硅的反應n 與淡化制品制備工藝的差異與淡化制品制備工藝的差異n 氮化程度和效果的評價氮化程度和效果的評價碳化硅基澆注料預制件的探索碳化硅基澆注料預制件的探索氮化物（氮化物（SialonSialon、氧氮化硅）結合（澆注成形、氧氮化硅）結合（澆注成形+ +氮化）：氮化）： 硅粉加入量、粒度的研究硅粉加入量、粒度的研究 淡化熱處理制度的優(yōu)化淡化熱處理制度的優(yōu)化 不同結合體系的影響不同結合體系的影響 性能優(yōu)化性能優(yōu)化碳化硅自結合（澆注成形碳化硅自結合（澆注成形+ +碳化）：碳化）：不同成形方式（機壓成形和澆注成形）試樣性能的對比不同成形方式（機壓成形和澆注成形）試樣性能的對比硅粉加

8、入量及炭化熱處理制度硅粉加入量及炭化熱處理制度碳化工藝對制品性能的影響碳化工藝對制品性能的影響超低水泥結合超低水泥結合臨界粒度5mm，CA水泥量2.5%。試樣的配比（wt%） Formulation of specimensSpecimen lableSiC-aggregates andpowdersMS+RA+CAWFASiS5-130076.010.58.55S5-142076.010.58.55S5-150076.010.58.556S7-130076.010.56.57S7-142076.010.56.57S7-150076.010.56.57S9-130076.010.54.59S9

9、-142076.010.54.59S9-150076.010.54.59小結小結 應用應用“原位耐火材料原位耐火材料”的理念，通過的理念，通過振動澆注料成形振動澆注料成形+ +高高溫氮化溫氮化的方法得到賦予高冷的方法得到賦予高冷/ /熱態(tài)強度網絡結構的原位熱態(tài)強度網絡結構的原位SialonSialon結合的碳化硅基耐火制品。結合的碳化硅基耐火制品。 隨氮化溫度從隨氮化溫度從1300-15001300-1500和金屬硅的加入量從和金屬硅的加入量從5-9%5-9%的增加，試樣的的增加，試樣的冷態(tài)和熱態(tài)強度增加。冷態(tài)和熱態(tài)強度增加。14201420氮化后，硅含量氮化后，硅含量9%9%的試樣性能最好，

10、的試樣性能最好，12001200的熱態(tài)強度達的熱態(tài)強度達50MPa50MPa以上。但以上。但14001400的的HMORHMOR卻降到卻降到35MPa35MPa以下。以下。不同結合體系的影響不同結合體系的影響實驗配比實驗配比 wt%S1S2S3SiC顆粒和細粉顆粒和細粉71.071.071.0白剛玉粉（白剛玉粉（-200目）目）12.012.012.0硅粉（硅粉（-200目）目）9.09.09.0二氧化硅微粉二氧化硅微粉+鋁酸鈣水泥（鋁酸鈣水泥（MS+CAC）5.0+3.000二氧化硅微粉二氧化硅微粉+水硬性氧化鋁（水硬性氧化鋁（MS+HA）05.0+3.00二氧化硅溶膠二氧化硅溶膠0010.

11、0加水量（外加）加水量（外加）4.54.5-臨界粒度：臨界粒度：5mm不同結合體系對熱態(tài)抗折強度的影響不同結合體系對熱態(tài)抗折強度的影響氮化后氮化后各試樣的相組成各試樣的相組成SiCSialon-Al2O3SiCAS2-Si3N4S1 688-135-1011-3-S2 688-135-101-3S3 6813-15100.5-1-3點的能譜分析結果及點的能譜分析結果及Z值值點點NOAISiZ-value113.773.7814.6767.591.86224.3420.475.4349.760.57319.0410.504.0766.400.47小結：小結：1 1）結合物引入的）結合物引入的Ca

12、OCaO所形成的所形成的長石相會降低熱態(tài)強度；長石相會降低熱態(tài)強度；2 2）結合體系會影響氮化物的）結合體系會影響氮化物的形貌。形貌。硅溶膠結合的碳化硅基澆注料的氮化改性硅溶膠結合的碳化硅基澆注料的氮化改性什么是溶膠？什么是溶膠？ 膠體溶液，與溶液的區(qū)別是溶膠的溶質分子是許多膠體溶液，與溶液的區(qū)別是溶膠的溶質分子是許多個分子聚集在一起形成的小顆粒。常見的如奶牛，墨個分子聚集在一起形成的小顆粒。常見的如奶牛，墨水，含水原油等都是溶膠。水，含水原油等都是溶膠。硅溶膠：硅溶膠：二氧化硅的膠體微粒分散于水中二氧化硅的膠體微粒分散于水中的膠體液。呈穩(wěn)定的堿性或酸性。分子式可的膠體液。呈穩(wěn)定的堿性或酸性。

13、分子式可表示為表示為mSiO2H21OmSiO2H21O，外觀為乳白色半透明，外觀為乳白色半透明液體。液體。 硅溶膠的膠團結構可用下面的化學式表示：硅溶膠的膠團結構可用下面的化學式表示：粘合性：粘合性：當硅溶膠水分蒸發(fā)時，膠體粒子牢固地附著當硅溶膠水分蒸發(fā)時，膠體粒子牢固地附著在物體表面，粒子間形成硅氧結合，是很好的粘合劑。在物體表面，粒子間形成硅氧結合，是很好的粘合劑。穩(wěn)定性穩(wěn)定性：膠粒為介穩(wěn)相，始終存在自發(fā)聚結的傾向。膠粒為介穩(wěn)相，始終存在自發(fā)聚結的傾向。影響硅溶膠穩(wěn)定性的因素很多，如：電解質、溫度、影響硅溶膠穩(wěn)定性的因素很多，如：電解質、溫度、濃度、濃度、PHPH及粒徑等。及粒徑等。使用

14、硅溶膠的優(yōu)點：使用硅溶膠的優(yōu)點：1 1）基質純凈化；）基質純凈化；2 2）促進反應。）促進反應。須解決的問題：須解決的問題： 選擇何種硅溶膠？選擇何種硅溶膠？ 如何控制、改進澆注料的施工性？如何控制、改進澆注料的施工性？第一種酸性硅溶膠第一種酸性硅溶膠的顯微圖（的顯微圖（1000010000）所選三種硅溶膠的技術參數(shù)所選三種硅溶膠的技術參數(shù)酸性酸性1酸性酸性2堿性堿性PH3.353.110.1NaO2含量（含量（%）0.010.0340.49粒徑（粒徑（nm）175632粘度（粘度（mPa.s）2.45.41.8電位（電位（mV）-17.45-15.01-80.29澆注料的配方（澆注料的配方（

15、wt%wt%）S1S2S3S3S6S7SiC838383838383SiO2微粉微粉888888金屬金屬Si粉粉999999H2O2.8%1.4%005%1%硅溶膠加入量硅溶膠加入量3%5%7%7%8%7%硅溶膠中硅溶膠中SiO2含含量及酸堿性量及酸堿性30%酸性（酸性（1）30%酸性（酸性（1）30%酸性（酸性（2）40%堿性堿性S1S1、S2S2、S3S3系列：相同的加水量；系列：相同的加水量；S3S3、S6S6、S7S7系列：保證系列：保證190mm190mm以上的流動值。以上的流動值。施工性能施工性能第一種酸性硅溶膠的第一種酸性硅溶膠的施工性能相對最好。施工性能相對最好。試樣烘干后冷態(tài)

16、抗折、耐壓強度（試樣烘干后冷態(tài)抗折、耐壓強度（MPa）S1S2S3S6S7CCS13.813.621.813.416.6CMOR3.34.04.52.53.7各組試樣的各組試樣的12001200和和14001400的熱態(tài)抗折強度的熱態(tài)抗折強度 各組試樣在各組試樣在12001200的熱態(tài)抗折強度相差不大，而的熱態(tài)抗折強度相差不大，而14001400時，時，各組試樣的熱態(tài)抗折強度變化明顯。各組試樣的熱態(tài)抗折強度變化明顯。S3S3最好。最好。各種試樣熱震后抗折強度保持率各種試樣熱震后抗折強度保持率（11001100，風冷一次），風冷一次）CMOR殘余CMOR殘余CMOR（刷涂料）S143.439.5

17、51.1S239.540.139.1S34140.727.3S62524.517.4S737.434.125.2不刷涂料的強度保持率較高，而刷涂料的強度保持率則普遍降低。不刷涂料的強度保持率較高，而刷涂料的強度保持率則普遍降低。小結：小結：1 1）硅溶膠的品質對氮化后碳化硅基澆注料的施工性能有重要）硅溶膠的品質對氮化后碳化硅基澆注料的施工性能有重要的影響，但哪些因素影響及機理尚待分析。的影響，但哪些因素影響及機理尚待分析。2 2）納米尺度的二氧化硅可促進氮化反應，因而形成了更多的）納米尺度的二氧化硅可促進氮化反應，因而形成了更多的氮氧化硅，利于抗氧化性及抗熱震性。氮氧化硅，利于抗氧化性及抗熱震性。結結 論論1 1、12001200及以下，結合體系對熱態(tài)強度影響不大，都可以達到及以下，結合體系對熱態(tài)強度影響不大，都可以達到很高的熱態(tài)抗折強度。很高的熱態(tài)抗折強度。2 2、12001200以上，無水泥的結合