【摘要】：碳復合耐火材料具有優(yōu)良的抗渣侵蝕性和熱震穩(wěn)定性,在鋼鐵工業(yè)中被廣泛使用。近年來,隨著潔凈鋼冶煉技術(shù)的快速發(fā)展及低碳節(jié)能理念的迅速推廣,傳統(tǒng)碳復合耐火材料的低碳化成為其發(fā)展的必然趨勢。但是,簡單降低鱗片石墨的含量必然會導致碳復合耐火材料韌性及熱震穩(wěn)定性的惡化。膨脹石墨不僅具有與鱗片石墨類似的物理化學性能,而且可視為大量石墨烯片的平行疊加,同時其比表面積和單位質(zhì)量的體積遠大于鱗片石墨,能以較少的含量在耐火材料中形成連續(xù)的三維碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因而在開發(fā)低碳高性能碳復合耐火材料方面前景廣闊。此外,膨脹石墨具有多孔蠕蟲狀結(jié)構(gòu),能在外加載荷作用和熱沖擊條件下發(fā)生變形和回復,具有較好的可壓縮性和回彈性,能吸收和釋放體系中的熱應(yīng)力,有望改善耐火材料的熱震穩(wěn)定性和韌性。目前,限制膨脹石墨在碳復合耐火材料中規(guī)�；瘧�(yīng)用的主要因素是高溫下易發(fā)生結(jié)構(gòu)蝕變、抗氧化性較差以及與基體材料的界面結(jié)合強度較弱等,加上膨脹石墨在材料中的強韌化機理尚不完全清楚。針對上述問題,本論文首先選擇硼/氮摻雜方式,系統(tǒng)地研究了硼/氮摻雜膨脹石墨制備的物理化學條件,旨在去除膨脹石墨表面的大量羧基和羰基的同時,修復石墨六方網(wǎng)格上缺陷與斷鍵,為解決膨脹石墨抗氧化性和結(jié)構(gòu)蝕變問題提供理論基礎(chǔ);其次以單質(zhì)硅為硅源,采用埋碳和氮氣氛高溫下處理膨脹石墨,研究了硅修飾膨脹石墨的工藝條件,使硅元素在石墨表面六方網(wǎng)格上缺陷處沉積,形成石墨-碳化硅晶須異質(zhì)結(jié)構(gòu),延緩膨脹石墨高溫結(jié)構(gòu)蝕變和抗氧化性,同時進一步提高其在材料中的強韌化效應(yīng);最后采用巖石力學的測試手段及離散元的模擬方法,系統(tǒng)研究了含膨脹石墨的鋁碳耐火材料的斷裂行為,以進一步探明膨脹石墨在鋁碳耐火材料中的強韌化機制。通過上述的研究工作,得到如下主要結(jié)論:(1)采用硼/氮摻雜處理膨脹石墨,能有效去除石墨表面的羧基和羰基等含氧官能團,并在石墨六方網(wǎng)格缺陷處形成不同種類的C-B和C-N共價結(jié)合;隨熱處理溫度的升高,上述共價鍵數(shù)量的增加,膨脹石墨的結(jié)構(gòu)完整性和抗氧化性明顯改善。(2)鋁碳材料中引入普通膨脹石墨能增強增韌鋁碳耐火材料,在高溫下膨脹石墨發(fā)生結(jié)構(gòu)蝕變同時,促進了Al N、Al4C3和Si C等陶瓷相的生成,提高了材料的力學性能。與普通膨脹石墨相比,硼/氮摻雜膨脹石墨能在高溫(高于1000℃)下保持結(jié)構(gòu)的相對完整性,并與上述陶瓷相協(xié)同增強增韌鋁碳耐火材料,改善了材料的熱震穩(wěn)定性。(3)以單質(zhì)Si粉作為硅源,分別在埋碳和氮氣氣氛中熱處理膨脹石墨,能在其六方網(wǎng)格缺陷處分別生成SiOx球和β-Si C晶須,形成石墨/SiOx球和石墨/β-SiC晶須異質(zhì)結(jié)構(gòu)。高溫下這種硅修飾膨脹石墨過程為:埋碳條件下,Si(g)和SiO(g)在膨脹石墨六方網(wǎng)格缺陷處沉積形核-長大形成β-SiC晶核,最終形成外包裹非晶態(tài)SiOx球的晶須-石墨的異質(zhì)結(jié)構(gòu);氮氣氣氛下,Si(g)在膨脹石墨缺陷處成核并生長成β-Si C晶須,形成石墨-β-SiC晶須異質(zhì)結(jié)構(gòu)。(4)與普通膨脹石墨相比,在鋁碳耐火材料中引入上述硅修飾膨脹石墨,因其具有陶瓷-碳的異質(zhì)結(jié)構(gòu),延緩了膨脹石墨的高溫結(jié)構(gòu)蝕變,同時這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)與基體材料形成更牢固的界面結(jié)合,產(chǎn)生陶瓷晶須-石墨協(xié)同強韌化效應(yīng),進一步提高了鋁碳耐火材料的力學性能和抗熱震穩(wěn)定性,也改善了材料的抗氧化性。(5)在鋁碳耐火材料中添加膨脹石墨,能促進材料中三維碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成,并在材料斷裂過程中有利于產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)、橋連、分支及拔出等能量耗散機制,最終使得材料以沿晶斷裂的方式破壞,大幅提高了材料的斷裂韌性、耐壓強度、抗折強度和拉伸強度。在材料受熱沖擊情況下,膨脹石墨的多孔結(jié)構(gòu)能緩沖和吸收熱應(yīng)力,有效的改善了材料的抗熱震穩(wěn)定性。
【學位授予單位】：武漢科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ175.1
【圖文】：

(a) expanded graphite (b) a higher magnification of (a)圖 1.1 膨脹石墨的顯微結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig 1.1 Low (a) and high (b) magnification image of expanded graphite5) 復合碳素原料上述碳素原料尺寸各異、形貌獨特，在碳復合耐火材料中的工作機制各不相同

密堆積和隨機分布的BPM(bonded particle model)模型。該模型中的顆粒相互之間以平行鍵連接，同時符合牛頓第二定律的運動規(guī)律。因而，裂紋的產(chǎn)生和生長可以被視為顆粒之間連接鍵的發(fā)生斷裂，具體過程如圖1.2所示。姜勝強[158]等人采用離散元方法模擬了SiC陶瓷在不同溫度下的力學性能，并探明了SiC陶瓷的不同破壞形式。張亞瓊[159]采用離散元方法對Al2O3/TiC陶瓷的微切削和壓痕開裂過程進行了模擬計算，驗證了離散元方法對陶瓷材料裂紋生成的模擬計算的有效性。圖1.2 離散元模型中裂紋的生成Fig 1.2 The formation of cracks in DEM model事實上，與巖石、混凝土和陶瓷材料的組成結(jié)構(gòu)類似，碳復合耐火材料也是由大量尺寸不同的塊體或細粉組成，這些塊體或細粉之間存在一定的結(jié)合界面。在實際服役過程中，鋁碳耐火材料要承受連續(xù)的機械拉拔、碾軋以及瞬間的溫度變化，導致材料中產(chǎn)生外加靜態(tài)或者動態(tài)的應(yīng)力，最終發(fā)生破壞。目前，關(guān)于耐火材料的外加載荷下的結(jié)構(gòu)變化模擬多以有限元法為主，但是有限元法視整個耐火材料為一個整體

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 李友勝;張?zhí)莆?鮑家興;李楠;朱萬政;;加入Si粉對低碳鋁鎂碳材料性能的影響[J];耐火材料;2007年04期

2 王志強;朱伯銓;方斌祥;萬洪波;;B_4C和Si組合抗氧化劑對低碳MgO-C磚抗氧化性能的影響[J];耐火材料;2008年03期

本文編號：2736882