低碳Al2O3-C耐火材料中β-Sialon形貌结构的调控及其对力学性能的影响

摘要

以板状刚玉、石墨、活性α-Al2O3微粉等为主要原料、金属Al粉和单质Si粉为添加剂、酚醛树脂为结合剂，制备成低碳Al2O3-C耐火材料。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱和透射电镜对试样的物相组成和显微结构进行分析;并对烧后试样的常温抗折强度、常温耐压强度、载荷位移曲线、弯曲模量、高温抗折强度、热震稳定性等进行了检测;研究了温度和气氛对低碳Al2O3-C耐火材料陶瓷结合相和性能的影响。具体研究结果如下:
　　还原气氛下，1200℃烧后试样中有Si3N4晶须、SiC晶须和柱状AlN生成;温度升高到1400℃时，烧后试样中原位生成的β-Sialon呈晶须状和二维片状;1400℃烧后试样中SiC晶须和β-Sialon相的生成，将常温耐压强度提高30.38％达到87.75MPa，将常温抗折强度和高温抗折强度分别提高到20.01和15.69MPa，弯曲模量和载荷位移量均提高12％以上。1400℃烧后试样的热震稳定性改善显著，常温耐压强度损失仅为8.23MPa，强度保持率可提高到89％。
　　埋碳工艺对低碳Al2O3-C耐火材料结构与性能的影响表明，1400℃不同埋碳工艺下烧后试样中都有SiC晶须生成，其中埋焦炭气氛下，烧后试样中有少量的β-Sialon生成，埋混合碳气氛下，烧后试样中有大量的β-Sialon生成。SiC晶须和β-Sialon相的生成，使得埋混合碳气氛下，烧后试样的性能达到最佳，将常温抗折强度和常温耐压强度分别提高到21.90MPa和74.72MPa，将弯曲模量提高19.6％达到5.36GPa，将载荷位移量提高59.6％达到0.688mm。1400℃埋混合碳气氛下，烧后试样的抗热震性优良，三次水冷热震后残余耐压强度损失仅为8.78MPa，强度保持率为88％。
　　改变氮气分压，研究不同温度下氮气分压对低碳Al2O3-C材料的显微结构演变及其性能的影响，对Al-Si-O-C-N体系进行热力学计算，可知1200℃当氮分压大于1.21×10-10MP时，SiC和AlN可稳定存在。1200℃不同氮分压下(0.065MPa、0.11MPa、0.155MPa)，烧后试样中可原位形成SiC晶须和短柱状的AlN，随着氮分压从0.065MPa升高到0.155MPa，SiC晶须的长径比增大、生成量增多，AlN的直径变大。当氮分压大于0.11MPa，1400℃烧后试样中有β-Sialon生成。温度升高到1400℃时，AlN物相消失并有二维片状β-Sialon原位生成，SiC晶须和片状β-Sialon交织在一起形成网状结构。当氮分压增加到0.155MPa，1400℃烧后试样中原位生成了SiC晶须和二维片状的β-Sialon，使得材料表现出优异的性能，常温抗折强度和常温耐压强度值分别达到19.3MPa和74.7MPa，弯曲模量和高温抗折强度分别提高到4.2GPa和13.2MPa，载荷位移量增加了62％达到0.59mm。1400℃氮分压为0.155MPa时，试样中原位生成的二维片状β-Sialon显著的提高了低碳Al2O3-C耐火材料的热震稳定性，三次水冷热震后常温耐压强度仅下降了6.2MPa，强度保持率达到91.8％。

目录

声明

摘要

1．1 前言

1．3 低碳Al2O3-C耐火材料的应用背景和发展现状

1．4 Al2O3-C耐火材料损毁机理

1．5 Al2O3-C质耐火材料中常见的非氧化物相

1．5．1 铝化物陶瓷结合相

1．5．2 硅化物陶瓷结合相

1．6 新型β-Sialon陶瓷结合相在耐火材料中的应用及发展

1．7 课题研究目的、意义及主要内容

1．7．1 课题研究目的及意义

1．7．2 主要研究内容

第二章 低碳Al2O3-C材料中β-Sialon的生成及其对性能的影响

2．1 实验

2．1．1 样品配比及制备流程图

2．1．2 样品表征

2．2 结果与讨论

2．2．1 热力学分析

2．2．2 物相组成与显微结构分析

2．2．3 试样的物理性能和力学性能分析

2．2．4 试样的弯曲模量、高温抗折强度和热震性能分析

2．3 本章小结

第三章 埋碳工艺对低碳Al2O3-C材料的显微结构和性能的影响

3．1 实验

3．1．1 样品配比及制备流程图

3．1．2 样品表征

3．2 结果与讨论

3．2．1 热力学分析

3．2．2 试样的物相组成与显微结构分析

3．2．3 试样的物理性能和力学性能分析

3．2．4 试样的高温抗折强度和热震性能分析

3．3 本章小结

第四章 氮气分压对低碳Al2O3-C材料显微结构演变及其性能的影响

4．1 实验

4．1．1 样品制备与试验流程

4．1．2 样品表征

4．2 结果与讨论

4．2．1 Al-Si-O-C-N体系热力学分析

4．2．2 试样的物相组成和显微结构分析

4．2．3 试样的物理性能和力学性能分析

4．2．4 试样的弯曲模量、高温抗折强度和热震性能分析

4．3 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢