氮化物耐火材料凝膠注模成型及其性能的研究.pdf

1、本文系統(tǒng)研究了以毫米級(jí)陶瓷顆粒(SiC、棕剛玉)、Al粉、Si粉為原料制備氮化物耐火材料的水基凝膠注模成型以及材料的組織和性能。 首先詳細(xì)地研究了凝膠注模成型氮化物耐火材料所用原料的顆粒整形和粉體表面化學(xué)改性。結(jié)果表明：顆粒整形使SiC顆粒的長(zhǎng)徑比由2.31降為1.33，棕剛玉顆粒由2.17降為1.42。顆粒整形不僅使顆粒的堆積密度提高到2.51g.cm-3、而且有利于凝膠注模成型。對(duì)工業(yè)鋁粉氮化制備的Al(AlN)粉的氮含量為

2、0.76wt％，在水基溶液中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。SEM觀察和EDS分析表明，粒子表面由鋁的氮化物和氧化物組成，表面N和O元素含量分別為2.6wt％和21.6wt％，表明Al粉低溫氮化主要在其表面進(jìn)行。采用丙烯酸和硅酸對(duì)工業(yè)Si粉和Al(AlN)粉表面化學(xué)改性，提高了含有兩種細(xì)粉的水溶液的pH值穩(wěn)定性，抑制了Si粉和Al粉在水基溶液中的水解反應(yīng)，滿足氮化物耐火材料水基懸浮體的制備要求。 系統(tǒng)研究了Sialon結(jié)合SiC耐火材料所用原料的

3、電化學(xué)性能、懸浮體的流變性能和漿料穩(wěn)定性能。結(jié)果表明：分散劑TMAH(四甲基氫氧化銨)和TAC(檸檬酸三銨)分別對(duì)SiC粉、改性Si粉、改性Al(AlN)粉、α-Al2O3粉具有特性吸附，在堿性介質(zhì)pH=8～10范圍內(nèi)各種原料的Zeta電位均為較大負(fù)值，可以用靜電穩(wěn)定機(jī)制進(jìn)行分散。確定了Sialon結(jié)合SiC懸浮體的最佳制備工藝。固相體積分?jǐn)?shù)為78％的懸浮體在剪切速率為10～160s-1范圍內(nèi)呈剪切變稀的流體特征，16小時(shí)的RSH值大于

4、0.99，懸浮體滿足凝膠注模成型的要求。通過對(duì)懸浮體的流變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得出懸浮體流變模型為η=13.9575+1767.6γ-0.3606，符合Sisko流變模型特征。懸浮體經(jīng)凝膠注模成型得到了體積密度為2.57g.cm-3、抗折強(qiáng)度為16MPa、組織均勻的坯體。氮化燒結(jié)后Sialon結(jié)合SiC耐火材料的體積密度為2.69g.cm-3、抗折強(qiáng)度為56MPa、高溫(1400℃)抗折強(qiáng)度為62MPa，性能優(yōu)于機(jī)械成型的材料。材料中S

5、ialon晶體呈六方柱狀和短柱狀，主要物相組成為SiC、Sialon和少量的Si2ON2。 研究了Sialon結(jié)合剛玉耐火材料懸浮體的流變性能和穩(wěn)定性能，重點(diǎn)研究了棕剛玉中的TiO2和改性Al(AlN)粉中的AlN對(duì)材料氮化速度、氮化率和強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，固相體積分?jǐn)?shù)為79％的懸浮體，在中等剪切速率(40～160s-1)時(shí)表現(xiàn)出剪切變稀特征，24小時(shí)的RSH值大于0.99，懸浮體滿足凝膠注模成型的要求。-Ⅱ-通過對(duì)懸浮體的流

6、變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得出在剪切速率為40～160s-1范圍內(nèi)的流變模型為η=59.283+2227.4γ-0.2831，符合Sisko流變模型特征；在剪切速率為10～40s-1范圍內(nèi)流變模型為σ=22960+391γ，其流變特性符合Bingham模型，屬于塑性流體體系。利用固相體積分?jǐn)?shù)為79％的Sialon結(jié)合剛玉濃懸浮體進(jìn)行凝膠注模成型，得到體積密度為3.11g.cm-3、抗折強(qiáng)度為14MPa的坯體。坯體經(jīng)過燒結(jié)制備出體積密度為3.

7、23g·cm-3、抗折強(qiáng)度為54MPa、高溫(1400℃)抗折強(qiáng)度為57MPa的Sialon結(jié)合剛玉耐火材料，性能明顯優(yōu)于機(jī)械成型的材料。棕剛玉中的TiO2和改性Al(AlN)粉中的AlN共同作用提高了材料的氮化速度，使氮化率提高了9.95％，并促進(jìn)了Sialon的析晶和長(zhǎng)大。材料中Sialon晶體呈六方柱狀和短柱狀，主要物相組為剛玉、Sialon和少量的Si3N4。 Si3N4結(jié)合SiC耐火材料的抗冰晶石熔體侵蝕性受材料中α-

8、Si3N4含量的控制。高α-Si3N4相含量的Si3N4結(jié)合SiC耐火材料表現(xiàn)出優(yōu)良的抗侵蝕性，而高β-Si3N4相含量的Si3N4結(jié)合SiC耐火材料，即使氮化率趨于完全，也不具備良好的抗侵蝕性。冰晶石電解液的氣相帶對(duì)Si3N4結(jié)合SiC耐火材料的侵蝕最嚴(yán)重。α-Si3N4和β-Si3N4耐冰晶石熔體腐蝕性能的差異可能是由于它們的晶體結(jié)構(gòu)不同造成的。α-Si3N4的原子層以ABCD堆積而成，不存在連續(xù)的通道，冰晶石熔體蒸氣難以滲入。而β