本文選題：Si3N4-MgO-C材料　切入點(diǎn)：Sialon-Al2O3-C材料　出處：《武漢科技大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：氧化物-碳復(fù)合耐火材料（MgO-C和Al2O3-C材料）具有優(yōu)異的抗熱震性和抗渣侵蝕性被廣泛應(yīng)用于煉鋼等高溫領(lǐng)域，然而碳復(fù)合耐火材料中氧化物與石墨之間無法形成有效的化學(xué)結(jié)合。本文采用高溫原位氮化反應(yīng)的方法，制備出機(jī)械和熱學(xué)性能均優(yōu)異的氮化物-氧化物-碳復(fù)合耐火材料，實(shí)現(xiàn)了氮化物和氧化物、氮化物和石墨界面之間的化學(xué)結(jié)合。 論文首先探討了氮化制備工藝、原料種類和粒度對(duì)Sialon-Al2O3-C(SAC)和Si3N4-MgO-C(SMC)材料的物相組成、顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響，分析了物相演變、氮化物形貌和尺寸、機(jī)械強(qiáng)度和熱學(xué)性能間的關(guān)系。其次，將酚醛樹脂結(jié)合方式與氮化結(jié)合方式進(jìn)行對(duì)比，并在氮化物-氧化物-碳復(fù)合材料中分別采用酚醛樹脂和木質(zhì)磺酸鈣溶液作結(jié)合劑，研究了結(jié)合方式和結(jié)合劑對(duì)材料性能的影響。采用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的方法分別對(duì)氮化物-氧化物-碳復(fù)合材料進(jìn)行氮化動(dòng)力學(xué)和渣侵蝕機(jī)理研究，建立了相關(guān)的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和渣侵蝕動(dòng)力學(xué)模型。最后，通過分子動(dòng)力學(xué)的方法模擬計(jì)算了氮化物和氧化物、氮化物和石墨之間界面隨溫度變化的情況，并結(jié)合HRTEM觀察界面實(shí)際結(jié)合情況和界面位相關(guān)系，為氮化物-氧化物-碳復(fù)合耐火材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。論文得出如下結(jié)論： (1)氮化制備工藝研究包括氮化溫度、氮化時(shí)間、氮?dú)饬髁亢统尚蛪毫λ膫�(gè)因素。在制備SMC材料過程中，其最佳氮化溫度為1500°C，超過該溫度，單質(zhì)Si主要反應(yīng)生成SiC，導(dǎo)致Si3N4的生成量減小，材料性能變差。當(dāng)選擇1350°C保溫2h和1500°C保溫3h、氮?dú)饬髁?0ml/min、以及成型壓力400MPa時(shí)，，SMC材料內(nèi)部生成尺寸較大的β-Si3N4晶粒，耐壓強(qiáng)度最高，整體性能最佳。在制備SAC材料過程中，其最佳氮化溫度為1450°C，超過該溫度，大量氣體生成，顯氣孔率增大，材料強(qiáng)度下降。當(dāng)選擇1450°C保溫4h、氮?dú)饬髁?0ml/min、以及成型壓力300MPa時(shí)，SAC材料內(nèi)部生成適量的且具有較大尺寸的β-Sialon晶粒，耐壓強(qiáng)度最高，整體性能最佳。 (2)研究不同品種的氧化鋁、以及不同粒度的剛玉粉、硅粉和石墨對(duì)SAC材料性能的影響。將α-Al2O3超微粉和剛玉粉復(fù)合添加，由于原位氮化生成較長(zhǎng)的β-Sialon晶粒，形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，材料的常溫強(qiáng)度最高；且高溫還原氣氛下材料內(nèi)部生成較長(zhǎng)的O′-Sialon晶須，高溫強(qiáng)度也較高。添加石墨粒度為200目時(shí)，SAC材料內(nèi)部生成錐狀β-Sialon晶粒和O′-Sialon晶須，常溫強(qiáng)度最高；在高溫還原氣氛下，材料內(nèi)部的柱狀β-Sialon晶粒發(fā)生螺旋位錯(cuò)二次生長(zhǎng)，顯著提高材料的高溫力學(xué)強(qiáng)度。研究不同粒度的硅粉和石墨對(duì)SMC材料性能的影響。硅粉粒度的變化對(duì)材料的性能影響不大。當(dāng)添加石墨粒度為325目時(shí)，材料內(nèi)部生成較長(zhǎng)的柱狀β-Si3N4晶粒和片狀SiC晶粒，機(jī)械性能和抗熱震性能較好。 (3)研究不同的結(jié)合方式和結(jié)合劑對(duì)SMC和SAC材料性能的影響。采用氮化方式結(jié)合和以木質(zhì)磺酸鈣溶液作結(jié)合劑，材料的整體性能較好。 (4)采用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的方法研究制備SAC和SMC材料的氮化反應(yīng)機(jī)理。單質(zhì)Si、石墨和氧化物，以及燒成過程中生成的SiO(g)和CO(g)之間均能夠發(fā)生反應(yīng)并影響氮化物和SiC的晶粒形貌。在1300°C~1350°C氮化過程中，SAC材料內(nèi)部反應(yīng)受化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散共同控速，表觀活化能分別為109和191kJ/mol；SMC材料內(nèi)部反應(yīng)受化學(xué)反應(yīng)控速、混合控速和擴(kuò)散控速共同控制，表觀活化能分別為129、235和134kJ/mol。在1420°C~1460°C氮化過程中，SAC和SMC材料內(nèi)部反應(yīng)均受化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散共同控速，前者表觀活化能分別為370和410kJ/mol，后者表觀活化能分別為226和154kJ/mol。 (5)采用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的方法研究SAC和SMC材料的抗渣侵蝕機(jī)理。材料內(nèi)部生成的Sialon和Si3N4發(fā)生氧化并向渣中溶解，增大渣的粘度，抑制渣的侵蝕和滲透。SAC材料的渣蝕過程受化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散混合控速，表觀活化能為214kJ/mol。SMC材料渣蝕過程的研究包括渣侵蝕過程和總渣蝕（侵蝕+滲透）過程兩個(gè)方面，前者受化學(xué)反應(yīng)控速，表觀活化能為170kJ/mol；后者受擴(kuò)散控速，表觀活化能為94kJ/mol。 (6)采用HRTEM和分子動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)SAC和SMC材料物相間界面的結(jié)合情況進(jìn)行觀察和模擬。HRTEM觀察到β-Si3N4和石墨、β-Si3N4和MgO、β-Sialon和石墨、以及β-Sialon和Al2O3界面之間能夠形成直接的化學(xué)結(jié)合，且對(duì)比分子動(dòng)力學(xué)模擬后的計(jì)算結(jié)果，這四組界面均具有較高的界面結(jié)合能。界面間化學(xué)結(jié)合的形成實(shí)現(xiàn)了本文通過合成氮化物(Si3N4/Sialon)將氧化物(MgO/Al2O3)和石墨結(jié)合的設(shè)計(jì)思想。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB332

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1580160