用Si-Fe反应烧结制备Fe-Si_3N_4-SiC复合材料的性能研究

以FeSi75和SiC为主要原料,直接氮化反应烧结,成功制备了综合性能优异的Fe-Si3N4-SiC复合材料。对硅铁氮化进行了化学热力学计算,并分析了产物的物相组成及显微结构。结果表明,氮化产物有α-Si3N4、β-Si3N4,呈纤维状、柱状;维持一定低氧分压对氮化过程有利;产物中存在大量细分散的硅铁金属间化合物,硅铁不能完全氮化,过多Fe阻碍Si的氮化,Fe以Fe3Si形式存在。

硅铁含量对反应烧结Fe-Si_3N_4-SiC复合材料性能的影响

以碳化硅、氮化硅、硅铁粉为原料,以热固树脂为结合剂,用1 000 t压砖机机压成型制备了硅铁质量分数分别为0、6%、9%、12%和15%的Fe-Si3N4-SiC试样,研究了硅铁含量对Fe-Si3N4-SiC材料性能的影响。结果表明,经1 300℃氮气气氛下保温8 h制备得到Fe-Si3N4-SiC复合材料,其常温耐压强度和高温抗折强度均优于Si3N4-SiC材料。当硅铁质量分数为12%时,Fe-Si3N4-SiC材料综合性能最佳,而当硅铁质量分数为15%时,Fe的催化作用下降,硅铁合金的氮化程度降低,材料性能下降。

Fe-Si_3N_4结合SiC特种陶瓷的烧成过程

利用TG DSC法对Fe Si3N4结合SiC陶瓷在氮化炉内烧成时发生的化学过程进行了研究,并分析了当硅铁的加入量大于15%时,成形试样在反应合成过程中开裂的原因及防止措施。认为反应合成过程中主要发生了碳的氧化、硅铁的溶解和氮化3个化学反应;为防止试样损坏可采取控制氮化炉内氮平衡分压和减缓升温速率等措施。

氮化烧结制备Si_3N_4-SiC复相陶瓷

以酚醛树脂作为结合剂,以冷等静压方法成型制备氮化烧结Si3N4-SiC复相陶瓷,研究了结合剂对坯体强度和生成材料物相组成的影响。坯体强度随酚醛树脂含量增加而提高,最高强度达到23MPa,实现坯体可直接机械加工。经过氮化烧结,生成材料物相中含有SiC,含量达到7.1%～15.7%,并观察到细小的等轴颗粒αSi3N4、棒状晶粒βSi3N4以及少量针状和晶须状Si3N4。SiC颗粒与Si3N4结合在一起,被Si3N4包裹。Si3N4-SiC复相材料的生成机理:300～600℃,酚醛树脂发生裂解,形成单质C,残碳率为50%;1000～1100℃,C开始与Si发生固相反应,形成SiC;1100℃后,Si开始发生氮化反应,生成Si3N4。

反应烧结温度对Si_3N_4-SiC材料性能的影响

以高纯绿SiC和Si粉为原料,用630t摩擦压力机成型为600mm×400mm×90mm的坯体,经远红外干燥后,以城市煤气为燃料,在20m3梭式窑中分别于1420和1500℃隔焰氮化烧成,对烧后Si3N4-SiC试样中心和边缘部位的理化性能(包括抗冰晶石侵蚀性能)和显微结构进行了检测和分析。结果表明:1)反应烧结Si3N4-SiC耐火材料中Si3N4的形成、分布和完全氮化等受诸多因素影响;要想使制品(尤其是尺寸较大的制品)的氮化比较完全,提高氮化烧成温度是非常有效的途经;2)制品中Si3N4分布不均匀:中心部位Si2N2O和游离Si的含量均较边缘部位的高,显气孔率也比边缘部位高约1%～2%;3)随着温度的升高,不可避免地出现Si的迁移,从而导致最终制品中Si3N4的分布不均匀,但这是否会影响制品的使用性能,尚需进一步研究。

质子化g-C3N4/β-SiC复合材料的制备及光催化降解茜素红性能

分别采用热解法和溶胶-凝胶-碳热还原法合成了石墨相氮化碳(g-C3N4)和纳米级碳化硅(β-Si C),通过浸渍-热处理法将两者复合并通过浓盐酸质子化,分别制备了g-C3N4/β-Si C和质子化g-C3N4/β-Si C(P-g-C3N4/β-Si C)复合光催化剂.利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)和光致发光光谱(PL)等对样品进行了表征.结果表明,P-g-C3N4/β-Si C复合材料的比表面积增大,光生电子-空穴对的复合几率降低,光催化性能明显提高.在光催化降解染料茜素红(ARS)研究中,样品的可见光催化活性顺序为P-g-C3N4/β-Si C>g-C3N4/β-Si C>P-g-C3N4>g-C3N4>β-Si C.其中P-g-C3N4/β-Si C在60 min内对ARS的降解效率高达99.9%,符合准一阶动力学模型,速率常数为0.0967 min-1,且循环使用9次后,光催化降解效率仍保持97.5%以上.

梭式氮化窑用Si_3N_4-SiC匣钵砖用后分析

利用XRD、SEM和EDAX对在梭式氮化窑中使用1年后的反应烧结Si3N4-SiC匣钵砖内外侧进行了分析。结果表明:在匣钵外侧(氧化气氛),匣钵砖表面12 mm厚的区域呈完全氧化状态,主要氧化产物是SiO2;紧随其后的12～20 mm区域呈部分氧化状态,氧化产物主要为Si2N2O及少量SiO2;20 mm以后区域无明显氧化特征。在匣钵内侧(氮气气氛),匣钵砖表面出现了约0.2 mm厚的氧化层,主要氧化产物是SiO2,该SiO2可能是由气态SiO氧化形成的,而气态SiO主要来自SiC的氧化及氮化过程中形成的气态SiO;从显微结构可以看出,SiC颗粒表面氧化明显。

空气气氛中烧成Si_3N_4-SiC复合材料的性能、相组成和显微结构

以氮化硅细粉(粒度<0.088mm,w(βSi3N4)>95%)、碳化硅(w(SiC)>98%,粒度分别为2.8～0.9mm、0.9～0.15mm、<0.115mm和<0.063mm四级)、硅粉(粒度<0.045mm,w(Si)>98%)和硅灰(w(SiO2)=98.3%)为原料,以木质素磺酸钙水溶液作成型结合剂,采用150MPa的压力成型为65mm×114mm×230mm的Si3N4-SiC、Si3N4-SiC-Si和Si3N4-SiC-SiO2三种试样。在空气气氛中,以50℃·h-1的升温速度升至800℃保温4h,再升至1450℃保温2h,自然冷却至室温后,测定烧成后试样的常温耐压强度、常温抗折强度、1400℃下的高温抗折强度、显气孔率、体积密度和残氮率,并采用XRD、SEM和EPMA等手段分析烧后试样的相组成和显微结构。结果表明:3种试样在空气气氛中烧成后的高温(1400℃)和常温抗折强度都比较高,显气孔率都比较低,而耐压强度则以Si3N4-SiC试样的最高;烧成后试样中心区域的残氮率以Si3N4-SiC-Si试样的最高,Si3N4-SiC-SiO2试样的次之,Si3N4-SiC试样的最小;在空气气氛中烧成后,Si3N4-SiC试样中的Si3N4分解较多,SiC-Si3N4-Si试样的表面和内部都明显含有单质Si,SiC-Si3N4-SiO2试样表面区域的SiNO晶体发育很好,而内部区域的晶体发育较小。

Si_3N_4-SiC材料的氧化性能研究

通过对不同Si3N4含量、不同温度下Si3N4-SiC材料的氧化实验,分析氧化后的氧化增重率,得出Si3N4含量越高,材料氧化越严重;氧化温度越高,材料氧化越严重;且氧化增重率与氧化时间呈直线-抛物线规律。

Si3N4对Al2O3-尖晶石-SiC-C铁沟料性能的影响

本文采用电熔刚玉、镁铝尖晶石、SiC、球状沥青和Si3N4为主要原料，借助XRD和EDAX分析技术，研究了Si3N4加入量对Al2O3-尖晶石-SiC-C质出铁沟浇注料常温物理性能和抗渣性能的影响。结果表明：随着Si3N4加入量的增加，浇注料的显气孔率变化不大，体积密度逐渐减小，1100℃及1500℃埋炭烧成后的抗折和耐压强度逐渐增大，当Si3N4加入量超过4％（质量分数，下同）时，浇注料的体积密度有所增大，抗折和耐压强度显著提高；浇注料在埋炭气氛下抗渣性能优良，氧化气氛下的侵蚀指数明显增大，且随着Si3N4加入量的增加，浇注料的侵蚀指数呈现出先增大后减小的趋势。本文对浇注料的性能变化进行了探讨。

氮化制度对Si_3N_4-SiC复合材料性能的影响

详细地研究了氮化制度对Si3 N4-SiC复合材料性能的影响 ,研究结果表明 :经过单一的氮化高峰反应后 ,材料的力学性能、物相和显微结构均较差 ,而经过 2个连续的氮化高峰的反应烧结能够得到较好的力学性能、物相和显微结构 ,继续通过高温后处理 ,复合材料的性能随反应时间的延长逐步提高。

Si_3N_4-SiC材料的微观结构对性能影响的研究

利用硅直接氮化烧结工艺制备Si3N4-SiC材料试样,通过观察材料的微观结构,以及材料物理性能及力学性能的测试结果分析,得出材料的微观结构对其性能的影响。

Si加入量对Si_3N_4-SiC复合材料性能的影响

固定其他组分配比不变,仅改变配方中Si粉加入量即Si粉从10％增加到60％,经过准静态氮化法反应烧结制得Si3N4——SiC复合材料,并对其进行力学性能、XRD和SEM检测,实验结果显示:随着Si加入量的增加,复合材料的强度逐渐增大,而密度却呈现减小趋势,生成的Si3N4-中β-Si3N4含量增加,形成的网络结构的致密度也相应增大,但β-Si3N4晶粒减小。

Si_3N_4含量对Si_3N_4-SiC材料腐蚀性能的影响

利用Si3N4-SiC材料在冰晶石静态融盐电解质中的腐蚀实验研究材料的腐蚀性能,对腐蚀增重率进行记录分析,Si3N4的含量是影响材料腐蚀性能的重要因素,根据实验测定得出Si3N4的含量越高,Si3N4-SiC材料腐蚀程度越严重。

Si_3N_4-SiC陶瓷材料的抗铜侵蚀性能

采用坩埚法研究了Si3 N4-SiC陶瓷材料在空气气氛中的抗铜侵蚀性能 ,侵蚀温度为 1130℃ ,时间为 2 5h ;选用铜熔炼用Si3 N4-SiC陶瓷塞棒在工厂实际生产环境中进行氮气气氛中的抗铜侵蚀试验 ,试验温度为 1130～ 115 0℃ ,时间是 4 0 0h。试验完成后 ,用XRD分析坩埚试样侵蚀层的相组成 ,用扫描电子显微镜观察坩埚试样侵蚀层的显微结构。结果表明 :在氮气气氛中 ,铜熔体含氧量低 ,Si3 N4-SiC材料具有优异的抗侵蚀性能。空气气氛中 ,铜熔体含氧量高 ,Si3 N4-SiC材料的抗侵蚀性能差。这是由于铜熔体中存在大量的Cu2 O ,促使Si3 N4快速氧化 ,生成SiO2 、N2 和Cu ,SiO2 熔入铜熔体中所致。

Si粉氮化法合成Si_3N_4-SiC材料

以SiC、Si粉和Al2O3微粉为主要原料,羧甲基纤维素(CMC)为临时结合剂,采用氮化反应烧结法合成了Si3N4-SiC材料,主要研究了Si粉的粒度(≤0.074、≤0.044 mm)和加入量(质量分数分别为15%、17%、19%、21%)、烧成温度(分别为1 380、1 400、1 420、1 430、1 440、1 460和1 480℃)、Al2O3微粉添加量(质量分数分别为0、1%、2%、3%、4%,取代相应量的SiC粉)对Si3N4-SiC材料的显气孔率、体积密度、常温耐压强度、常温抗折强度、高温抗折强度及Si3N4含量的影响。结果表明:1)采用粒度较细Si粉的试样具有较高的致密度、常温强度、高温抗折强度和Si3N4含量;随着Si粉加入量的增加,试样的致密度略有增大但变化不大,常温强度和Si3N4含量逐渐增大,而高温抗折强度先增大后减小;2)适当提高烧成温度会明显改善Si3N4-SiC材料的高温抗折强度,但当温度超过1 440℃反而略有下降;3)添加Al2O3微粉对烧后试样的致密度、常温强度和高温抗折强度有益。综合来看,Si粉的适宜添加量(质量分数)为17%,较适宜的烧成温度为1 420～1 440℃,Al2O3微粉的适宜添加质量分数为2%。

Al_2O_3-Si_3N_4-SiC复合材料的抗高炉渣和碱蒸气侵蚀性能

以棕刚玉、氮化硅和碳化硅为原料在空气气氛下制备试样。采用静态坩埚法测试试样的抗渣和抗碱侵蚀性能。采用XRD、SEM和EDS等检测方法,研究了高炉渣和碱蒸气对试样的侵蚀机制。结果表明:(1)A l2O3-Si3N4-SiC复合材料的抗炉渣侵蚀性较好,抗碱侵蚀性较差。渣侵蚀主要是由于基质中的A l2O3与渣中的SiO2、CaO反应生成低熔点玻璃相,导致渣在试样内部渗透并反应;刚玉颗粒与渣中的MgO反应生成镁铝尖晶石,并伴随有体积膨胀,使其表层结构疏松。(2)碱蒸气侵蚀主要是K(g)在试样内扩散得比较深,并与基质中的A l2O3反应生成钾长石类矿物晶体;而刚玉颗粒与K(g)反应,导致刚玉颗粒内部产生大量裂缝,K(g)沿裂缝进入并与刚玉反应生成β-A l2O3,使刚玉颗粒表面剥落,露出新的表面与K(g)反应,最终导致刚玉颗粒的熔蚀。但复合材料中SiC质量分数大于10%时,能有效抵制K(g)的侵蚀。

Si_3N_4-SiC复相耐磨材料的冲蚀磨损性能

以Si粉和SiC为原料,采用半干法冷等静压成型,通过反应烧结成功制备了Si3N4-SiC复相耐磨材料。并将其和95Al2O3耐磨陶瓷在以水和SiC混合颗粒为冲蚀介质实验条件下,进行液固两相流冲蚀磨损对比实验。结果表明:原料中Si粉加入量为40%～80%(质量分数)试样的耐冲蚀磨损性能优于95Al2O3耐磨陶瓷。原料中Si粉加入量为70%试样的耐固液两相流冲蚀磨损性能最好,在平均线速度分别为132和67m/min的实验条件下的冲蚀率分别仅为0.87%和0.30%。此外,通过SEM观察了冲蚀后试样的显微形貌,探讨了其耐液固两相流冲蚀磨损的机理。

光伏废料制备Si3N4-SiC材料的抗氧化性和抗侵蚀性

将光伏废料经酸洗除杂后,与硅粉按85∶15的质量比配料,以聚乙二醇做结合剂,成型为10 mm×10 mm×20 mm的生坯后,在1380℃保温2 h氮化制成Si3N4-SiC材料,然后研究了该Si3N4-SiC材料的抗氧化性和抗侵蚀性。结果表明:1)制备的Si3N4-SiC材料在空气气氛中抗氧化性较好,主要是由于其氧化产物Si2N2O和SiO2填充气孔,促进烧结,提高了试样的致密度。2)在静态熔盐(Na3AlF6)中的抗侵蚀性能较好,主要是由于Na3AlF6渗入气孔中,使其显气孔率降低。3)在动态熔盐中的抗侵蚀性相对变差,主要是由于CO2气体的搅拌和对Si3N4、SiC的氧化二者共同作用的结果。