添加硅的SiC基浇注料的碳化、氮化改性及结合体系的影响研究

添加硅的SiC基浇注料的碳化、氮化改性及结合体系的影响研究河南科技大学高温材料研究院2012年8月3日碳化硅和SiC耐火材料高温结合相氧化物结合相粘土二氧化硅莫来石刚玉非氧化物结合相氨化硅碳化硅塞隆（SiAlON）氧氮化硅（Si2N2O)什么是塞隆（SIalon)

Sialon:Al2O3固溶到Si3N4晶格中形成的固溶体，包括α-Sialon、β-Sialon、O’-Sialon、X相以及一系列多型体。

合成Sialon的反应原理氮化反应：3Si+2N2Si3N4

生成Si2N2的反应：3Si+SiO2+2N22Si2N2O

生成β-Sialon的反应：（6-z）si+z/3Al+z/3Al2O3+（8-z）N2Si6-zAlzOzN8-z

生成O’-Sialon的反应：（2-x)Si2N2O+xAl2O32Si2-xAlxO1+xN2-x

其中，0＜z＜4.2；0＜x＜0.2氧氮化硅氧氮化硅是一种优良的高温结合相，Si2N2O可由Si或SiO2与Si3N4在N2和O2气氛下或埋炭条件下反应生成，方程式为：

2Si+N2+1/2O2Si2N2O3Si+2N2+SiO22Si2N2OSi3N4+SiO22Si2N2O2Si+N2+COSi2N2O非氧化物结合的碳化硅耐火制品1、氮化硅结合碳化硅（Si3N4-SiC）：具有良好的物化性能、高温性能，使用温度达1500℃，在磨具、冶金和日用、电子陶瓷等行业得到广泛应用。2、塞隆结合碳化硅（SiAlON-SiC）：与Si3N4-SiC砖相比，显示出更高的抗熔融碱盐侵蚀和抗铁水冲刷能力，高温强度，抗氧化性，热震稳定性能更优。3、氮氧化硅结合碳化硅（Si2N2O-SiC）：

Si2N2O兼有SiO2和Si二者的部分特点，是一种优良的高温结合相。与Si3N4有相似的性能，但其抗氧化性优于后者。碳化硅基浇注料预制件浇注成形的优点：

成形大尺寸，薄壁等异形构件；更大的临界粒度；更均一的组织结构；生产过程简化；生产成本降低。须探明的关键问题：结合体系的适应性单质硅的反应与淡化制品制备工艺的差异氮化程度和效果的评价……碳化硅基浇注料预制件的探索氮化物（Sialon、氧氮化硅）结合（浇注成形+氮化）：硅粉加入量、粒度的研究淡化热处理制度的优化不同结合体系的影响性能优化碳化硅自结合（浇注成形+碳化）：不同成形方式（机压成形和浇注成形）试样性能的对比硅粉加入量及炭化热处理制度碳化工艺对制品性能的影响超低水泥结合临界粒度5mm，CA水泥量2.5%。试样的配比（wt%）FormulationofspecimensSpecimenlableSiC-aggregatesandpowdersMS+RA+CAWFASiS5-130076.010.58.55S5-142076.010.58.55S5-150076.010.58.556S7-130076.010.56.57S7-142076.010.56.57S7-150076.010.56.57S9-130076.010.54.59S9-142076.010.54.59S9-150076.010.54.59小结应用“原位耐火材料”的理念，通过振动浇注料成形+高温氮化的方法得到赋予高冷/热态强度网络结构的原位Sialon结合的碳化硅基耐火制品。随氮化温度从1300℃-1500℃和金属硅的加入量从5-9%的增加，试样的冷态和热态强度增加。1420℃氮化后，硅含量9%的试样性能最好，1200℃的热态强度达50MPa以上。但1400℃的HMOR却降到35MPa以下。不同结合体系的影响实验配比wt%S1S2S3SiC颗粒和细粉71.071.071.0白刚玉粉（-200目）12.012.012.0硅粉（-200目）9.09.09.0二氧化硅微粉+铝酸钙水泥（MS+CAC）5.0+3.000二氧化硅微粉+水硬性氧化铝（MS+HA）05.0+3.00二氧化硅溶胶0010.0加水量（外加）4.54.5-临界粒度：5mm不同结合体系对热态抗折强度的影响氮化后各试样的相组成SiCSialonα-Al2O3SiCAS2α-Si3N4S1＞688-135-10＜11-3-S2＞688-135-10＜1-＜3S3＞6813-1510＜0.5--1-3点的能谱分析结果及Z值点NOAISiZ-value113.773.7814.6767.591.86224.3420.475.4349.760.57319.0410.504.0766.400.47小结：1）结合物引入的CaO所形成的长石相会降低热态强度；2）结合体系会影响氮化物的形貌。硅溶胶结合的碳化硅基浇注料的氮化改性什么是溶胶？胶体溶液，与溶液的区别是溶胶的溶质分子是许多个分子聚集在一起形成的小颗粒。常见的如奶牛，墨水，含水原油等都是溶胶。硅溶胶：二氧化硅的胶体微粒分散于水中的胶体液。呈稳定的碱性或酸性。分子式可表示为mSiO2·H21O，外观为乳白色半透明液体。

硅溶胶的胶团结构可用下面的化学式表示：粘合性：当硅溶胶水分蒸发时，胶体粒子牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧结合，是很好的粘合剂。稳定性：胶粒为介稳相，始终存在自发聚结的倾向。影响硅溶胶稳定性的因素很多，如：电解质、温度、浓度、PH及粒径等。使用硅溶胶的优点：1）基质纯净化；2）促进反应。须解决的问题：选择何种硅溶胶？如何控制、改进浇注料的施工性？第一种酸性硅溶胶的显微图（×10000）所选三种硅溶胶的技术参数酸性1酸性2碱性PH3.353.110.1NaO2含量（%）＜0.010.0340.49粒径（nm）175632粘度（mPa.s）2.45.41.8ζ电位（mV）-17.45-15.01-80.29浇注料的配方（wt%）S1S2S3S3S6S7SiC838383838383SiO2微粉888888金属Si粉999999H2O2.8%1.4%005%1%硅溶胶加入量3%5%7%7%8%7%硅溶胶中SiO2含量及酸碱性30%酸性（1）30%酸性（1）30%酸性（2）40%碱性S1、S2、S3系列：相同的加水量；S3、S6、S7系列：保证190mm以上的流动值。施工性能第一种酸性硅溶胶的施工性能相对最好。试样烘干后冷态抗折、耐压强度（MPa）S1S2S3S6S7CCS13.813.621.813.416.6CMOR3.34.04.52.53.7各组试样的1200℃和1400℃的热态抗折强度各组试样在1200℃的热态抗折强度相差不大，而1400℃时，各组试样的热态抗折强度变化明显。S3最好。各种试样热震后抗折强度保持率（1100℃，风冷一次）CMOR残余CMOR残余CMOR（刷涂料）S143.439.551.1S239.540.139.1S34140.727.3S62524.517.4S737.434.125.2不刷涂料的强度保持率较高，而刷涂料的强度保持率则普遍降低。小结：1）硅溶胶的品质对氮化后碳化硅基浇注料的施工性能有重要的影响，但哪些因素影响及机理尚待分析。2）纳米尺度的二氧化硅可促进氮化反应，因而形成了更多的氮氧化硅，利于抗氧化性及抗热震性。