含膨脹石墨的鋁碳耐火材料組成、結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究.pdf

1、碳復(fù)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(lái)，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(fù)合耐火材料的低碳化成為其發(fā)展的必然趨勢(shì)。但是，簡(jiǎn)單降低鱗片石墨的含量必然會(huì)導(dǎo)致碳復(fù)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(xué)性能，而且可視為大量石墨烯片的平行疊加，同時(shí)其比表面積和單位質(zhì)量的體積遠(yuǎn)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

2、在開發(fā)低碳高性能碳復(fù)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(fù)，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(fù)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(qiáng)度較弱等，加上膨脹石墨在材料中的強(qiáng)韌化機(jī)理尚不完全清楚。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本論文首先選擇硼/氮摻雜

3、方式，系統(tǒng)地研究了硼/氮摻雜膨脹石墨制備的物理化學(xué)條件，旨在去除膨脹石墨表面的大量羧基和羰基的同時(shí)，修復(fù)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(wèn)題提供理論基礎(chǔ);其次以單質(zhì)硅為硅源，采用埋碳和氮?dú)夥崭邷叵绿幚砼蛎浭芯苛斯栊揎椗蛎浭墓に嚄l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(shí)進(jìn)一步提高其在材料中的強(qiáng)韌化效應(yīng);最后采用巖石力學(xué)的測(cè)試手段及

4、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(jìn)一步探明膨脹石墨在鋁碳耐火材料中的強(qiáng)韌化機(jī)制。通過(guò)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(tuán)，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(jià)結(jié)合;隨熱處理溫度的升高，上述共價(jià)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(qiáng)增韌鋁

5、碳耐火材料，在高溫下膨脹石墨發(fā)生結(jié)構(gòu)蝕變同時(shí)，促進(jìn)了AlN、Al4C3和SiC等陶瓷相的生成，提高了材料的力學(xué)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(duì)完整性，并與上述陶瓷相協(xié)同增強(qiáng)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?dú)鈿夥罩袩崽幚砼蛎浭茉谄淞骄W(wǎng)格缺陷處分別生成SiOx球和β-SiC晶須，形成石墨/SiOx球和石墨/β-SiC

6、晶須異質(zhì)結(jié)構(gòu)。高溫下這種硅修飾膨脹石墨過(guò)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(zhǎng)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?dú)鈿夥障拢琒i(g)在膨脹石墨缺陷處成核并生長(zhǎng)成β-SiC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(shí)這種異

7、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(qiáng)韌化效應(yīng)，進(jìn)一步提高了鋁碳耐火材料的力學(xué)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(jìn)材料中三維碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，并在材料斷裂過(guò)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(jī)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)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