(Y_(0.2)Gd_(0.2)Dy_(0.2)La_(0.2)Sm_(0.2))TaO_(4)高熵陶瓷材料的结构、性能及抗侵蚀行为研究

为满足新一代航空发动机对新型热障涂层材料的迫切需求,以高纯氧化物(Y_(2)O_(3)、Gd_(2)O_(3)、Dy_(2)O_(3)、Sm_(2)O_(3)、La_(2)O_(3)、Ta_(2)O_(5))为原料,按化学计量比配料,经1200~1750℃保温5 h固相反应,制备了高熵稀土钽酸盐(Y_(0.2)Gd_(0.2)Dy_(0.2)La_(0.2)Sm_(0.2))TaO_(4)材料,简称为(5RE_(0.2))TaO_(4)材料。研究了材料的物相组成、显微结构、热学性能、力学性能和抗CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(CMAS)侵蚀行为。结果表明:1)(5RE_(0.2))TaO_(4)陶瓷材料为单斜结构,存在明显铁弹畴;2)该材料经1750℃烧后具有极低的热导率(1.65 W·m^(-1)·K^(-1),600℃)和较高的热膨胀系数(10.2×10^(-6)K^(-1),1200℃);3)由于独特的铁弹增韧效应,经1750℃烧后(5RE_(0.2))TaO4材料的断裂韧性达到2.4 MPa·m^(1/2);4)(5RE_(0.2))TaO_(4)与CMAS熔体作用后形成反应层,表现出了优异的抗侵蚀性能。

危废处理焚烧炉内衬用耐火材料研究进展

对常用的危险废弃物焚烧炉内衬用耐火材料的种类进行了综述,指出不同工作环境使用的内衬耐火材料主要有刚玉质、碳化硅质、莫来石质、黏土质、铬刚玉质、刚玉-碳化硅质、刚玉-莫来石质、镁铝质等,总结了内衬耐火材料损毁的机制,包括机械磨损、热剥落和化学侵蚀,并对危废焚烧炉内衬用耐火材料的发展方向进行了展望。

热震条件下Al-Si复合Al_(2)O_(3)-C材料的组成、结构和性能变化

以板状刚玉骨料和细粉为原料,以酚醛树脂为结合剂制备了Al-Si复合Al_(2)O_(3)-C不烧滑板材料,测定了干燥后试样以及在1 100~1 300℃下热震不同次数后试样的体积密度、显气孔率和常温抗折强度,研究了热震对试样的物相组成、显微结构和性能的影响。结果表明,随着温度的升高和热震次数的增加,Al、Si反应生成非氧化物Al_4C_3、AlN和SiC的程度增加。由于热震产生的微裂纹为微量空气进入试样内部提供了通道,致使试样内部微区域气相压力增加,从而使非氧化物生成量增大,且非氧化物晶须发育良好,对材料具有填充和增强作用,使试样的致密度和强度略有增加。

玻璃窑炉用新型氧化锆基复合材料性能研究

为了给玻璃窑熔池提供一种综合性能优良的材料,按m(ZrO_(2))∶m(Al_(2)O_(3))=4∶1将ZrO_(2)粉和Al_(2)O_(3)粉充分混合后在电弧炉内熔融,再将得到的电熔氧化锆-刚玉共晶料加工成不同粒度,随后按一定的颗粒级配配料并混合均匀,压制成型后在1750℃下烧结,制备了新型氧化锆基复合材料,分析了物相组成和显微结构等性能,并与33^(#)锆刚玉砖和41^(#)锆刚玉砖进行了抗玻璃液侵蚀性对比。结果表明:新型氧化锆基复合材料结构致密,且化学纯度高、组分无低熔点物,具有良好的抗热震性。与33^(#)锆刚玉砖和41^(#)锆刚玉砖相比,新型氧化锆基复合材料被高温玻璃液侵蚀后未见孔洞,无针状气孔及缺陷,无液相渗入,与玻璃液没有发生反应,具有良好的抗玻璃液侵蚀性能。

β-SiAlON结合刚玉复合材料的热震-氧化行为研究

以板状刚玉颗粒和细粉、Al_(2)O_(3)微粉、Si粉和Al粉为原料,以酚醛树脂为结合剂,在流通氮气中于1450℃保温72 h制备了β-SiAlON结合刚玉复合材料试样。研究了不同温度(900~1300℃)下热震以及热震循环次数对试样氧化行为的影响。结果表明:与无热震条件下相比,热震作用下试样在不同温度下氧化后的质量增加率明显增加。随热震循环次数的增加,氧化后试样的质量增加率增加,表明热震使得材料的氧化加剧。热震作用下试样氧化加剧的原因在于:无热震时β-SiAlON氧化后在试样表面形成致密氧化保护膜,可阻止氧气进入内部;而热震可使试样表面的氧化保护膜破裂,产生较多微裂纹,为氧气进入试样内部提供通道,进而加速材料氧化。

烧成工艺对花岗岩基轻质隔热材料性能的影响

以花岗岩废料、黏土、长石为主要原料制备了花岗岩基轻质隔热材料。研究了不同烧成工艺制度(烧成温度、保温时间、升温速率)对该隔热材料性能的影响,确定最优烧成制度,制备出表观密度小、抗压强度高、常温导热系数小的高性能隔热材料。结果表明,以5℃/min从常温升至1000℃,再以3℃/min升至1200℃并保温30 min,在此烧成工艺制度下制备的隔热材料试样的表观密度为0.6 g/cm^(3),常温抗压强度18.11 MPa,常温导热系数为0.2 W/(m·K),综合性能最好。

改性SiO2源对合成高纯莫来石材料结构及性能的影响

在天然石英中引入质量分数为8%的γ-Al_(2)O_(3),经1550℃加热处理实现了对SiO2源的掺杂改性。以不同SiO2源和γ-Al_(2)O_(3)为原料,对比研究了改性SiO2源对合成高纯莫来石材料结构和性能的影响。结果表明:SiO2中掺入少量γ-Al_(2)O_(3)后,其熔融温度降低;改性SiO2源在较窄的温度范围(1570~1580℃)内转化为富SiO2液相。大量富SiO2液相的形成促进了莫来石化反应,加速了颗粒重排,提高了材料的致密度,从而改善了高纯莫来石材料的反应烧结性能。在煅烧过程中,富SiO2液相逐渐被反应消耗转化为高温相的莫来石;同时,改性SiO2源熔融提供的液相环境,促进了莫来石晶体的各向异性生长。经1700℃保温3 h煅烧后,莫来石晶体发育呈柱状并形成交叉的网络结构,增强了晶体间的结合程度。采用改性SiO2源合成的高纯莫来石材料,表现出更好的力学性能。

金属有机骨架材料合成方法对氮氧化物吸附性能的影响

金属有机骨架材料(Metal-organic frameworks,MOFs)因具有高的比表面积和孔隙率,使得其拥有良好的气体吸附性能。与传统的NO x吸附材料相比,MOFs材料拥有超高的比表面积和孔隙率,结构丰富多样且具有周期性,良好的热稳定性和化学稳定性。国内外学者采用不同的合成方法合成MOFs材料,以达到对NO x高效吸附的目的。MOFs材料的合成方法主要有水热法、溶剂热法、超声波合成法和微波合成法。水热法操作步骤简单,合成的晶体质量高,但是晶粒较大,孔体积小;溶剂热法和水热法原理相同,通过加入不同官能团的有机溶剂,合成的材料结构更为丰富,比表面积和孔容更大,对NO x的吸附效果比水热法好,也是使用最广泛的方法;超声波合成法合成的MOFs材料粒径较小且尺寸均一,比表面积和孔容较大,对NO x的吸附效果好,但是成本较高;微波合成法可加快反应速率,形成更小的晶粒,比表面积和孔容较大,对NO x的吸附量很高,但是同样也具有经济成本高的劣势。为此,本文对MOFs材料的合成方法、改性技术进行了总结,同时分析了不同方法合成的MOFs对氮氧化吸附效果的影响,并对MOFs材料吸附氮氧化物的发展趋势作了展望。

Cr2O3微粉加入量对Al_(2)O_(3)-Cr2O3质耐火材料性能的影响

以电熔铬刚玉和白刚玉为主要原料,用Cr2O3微粉部分替代电熔铬刚玉细粉,研究了Cr2O3微粉加入量对Al_(2)O_(3)-Cr2O3质耐火材料常温和高温性能、物相组成和显微结构的影响。结果表明,随着Cr2O3微粉加入量的增加,原位形成了(Al1-xCrx)2O3固溶体,促进了烧结,材料的显气孔率先降低后升高,且(Al1-xCrx)2O3固溶体的晶格常数呈线性增加,符合Vegard定律。材料的常温抗折强度和常温耐压强度随Cr2O3微粉加入量的增加先升高后降低,在Cr2O3微粉加入量为15%(质量分数)时强度达到最大值。而当Cr2O3微粉加入量为20%(质量分数)时,由于有挥发现象,材料显气孔率上升,强度下降。材料高温抗折强度随Cr2O3微粉加入量的增加而增加,材料的残余强度保持率呈先降低后升高的趋势。

钙硅比对稳定镁白云石材料性能的影响

以白云石、菱镁矿和硅石为初始原料,采用消化、二步煅烧工艺,制备稳定镁白云石合成料;在此基础上,制备了不同钙硅比(CaO、SiO_(2)质量比分别为2.6、2.8、3.0)的烧成稳定镁白云石试样,研究了钙硅比对稳定镁白云石材料性能的影响。结果表明:随着钙硅质量比的增大,试样的体积密度降低,抗热震性逐渐提高,但试样的水化质量增加率略有升高。降低钙硅比会影响镁钙材料的挂窑皮性能,主要是由于钙硅比较高时试样内有少量f-CaO存在,可以与水泥熟料反应从而提高粘接强度。因此,为满足该镁白云石材料在具有优异高温性能的同时,能够显著提高其抗水化性,选择最佳钙硅质量比为2.8。

Al粉、Si粉复合低碳稳定镁钙材料的抗氧化性

为提高耐火材料资源的综合利用率,以自制的稳定镁白云石合成料、电熔镁砂、Al粉、Si粉和鳞片石墨为原料,制备了Al粉、Si粉复合低碳稳定镁钙试样,研究了Al粉和Si粉复合低碳稳定镁钙材料的抗氧化性能,并探究了材料的抗氧化性能与物相组成和显微结构之间的关系。结果表明:1)加入金属Al粉和Si粉的抗氧化机制表现为明显的保护性氧化。2)1000和1500℃各氧化3 h后,未加入Al粉、Si粉的试样完全氧化。含Al粉、Si粉的试样氧化层厚度减小,抗氧化性提高。加入Al粉可有效地提高材料的抗氧化性,Al粉的最适宜加入量为4%(w),仅加入Si粉的试样氧化层厚度变化不明显。综合分析,最优配比为Al粉与Si粉均加入4%(w)。3)Al粉、Si粉氧化后分别生成的Al_(2)O_(3)和SiO_(2),与材料中的方镁石和硅酸钙反应生成镁铝尖晶石、镁硅钙石(镁蔷薇辉石)和钙镁橄榄石等物相,使材料的内部结构更加致密,提高了材料的抗氧化性能。

熔盐造孔法制备六铝酸钙多孔材料

为探究熔盐的加入对六铝酸钙(CA_(6))多孔材料性能的影响,以工业CaCO_(3)为钙源,α-Al_(2)O_(3)为铝源,添加KCl熔盐,经1400、1500、1600℃保温3 h高温烧成制备了六铝酸钙(CA_(6))多孔材料。结果表明:1)KCl的加入不仅作为造孔剂造孔,而且还降低了CA_(6)生成温度和促进CA_(6)片状晶粒的生长;2)当烧成温度为1500℃,铝钙质原料与KCl的质量比为4∶1时,所制备的CA_(6)多孔材料显气孔率为59.42%,耐压强度为46.15 MPa,1000℃时热导率为1.02 W·m^(-1)·K^(-1),孔径主要分布在5~15μm,平均孔径约为10μm,孔面积占比64%,材料内部孔隙分布较为均匀,综合性能较好。

TiO_(2)在耐火材料中的研究与应用进展

综述了TiO_(2)在Al_(2)O_(3)-SiO 2系、MgO-Al_(2)O_(3)系、含碳材料以及不定形耐火材料等方面的应用和研究现状,以期为TiO_(2)在耐火材料中的进一步应用提供参考。

窑炉烟气中NO_(2)吸附材料性能研究

为实现间歇式窑炉烟气中氮氧化物(NO_(x))通过干法吸附达标排放,以石灰石和石英为原料制备了钙硅质无机吸附剂;以均苯三甲酸(H_(3)BTC)和三水合硝酸铜(Cu(NO_(3))_(2)·3H_(2)O)为原料,采用溶剂热法合成并分别在120、200℃真空中干燥纯化得到1^(#)Cu-BTC和3^(#)Cu-BTC试样,采用水热法合成并在空气中干燥纯化得到2^(#)Cu-BTC试样(金属有机骨架MOFs材料1,3,5-均苯三羧酸铜)。然后对两类材料进行了NO_(2)吸附测试,通过N_(2)物理吸附-脱附、SEM、XRD和热重分析探究了吸附材料的比表面积和孔体积大小、NO_(2)的吸附性能、物相组成、显微结构和热稳定性。结果表明:1)Cu-BTC试样比钙硅质吸附剂吸附容量大,其中溶剂热法合成、在200℃真空中干燥纯化得到的3^(#)Cu-BTC试样比表面积和孔体积最大,对NO_(2)的吸附容量也最大,钙硅质材料的吸附容量较小。2)钙硅质吸附剂的热稳定性优于Cu-BTC试样的,整个过程的质量总损失低于Cu-BTC试样的。2^(#)Cu-BTC试样的热稳定性优于其他两种Cu-BTC试样的,Cu-BTC试样至少在150℃以上金属Cu的活性位点才可以暴露出来。

热震条件下Al_(2)O_(3)-O’-SiAlON-SiC复合材料氧化行为研究

以板状刚玉(骨料和细粉)、α-Al_(2)O_(3)微粉和硅粉等为原料,在1500℃下埋炭保温3 h烧结制备了Al_(2)O_(3)-O’-SiAlON-SiC复合材料。研究了热震及不同热震次数对复合材料氧化行为的影响。研究结果表明:在无热震和热震条件下,试样氧化增重率在900~1300℃均随温度升高而增加;热震氧化条件下的增重率大于无热震条件,且随热震次数增加,氧化增重率略有增加。无热震条件下,试样恒温氧化曲线类似于抛物线型,而热震条件下,试样氧化曲线接近直线型。因此,热震明显促进了复合材料的氧化,其原因在于热震使试样表面的氧化保护膜破裂,试样产生微裂纹,为氧气进入试样内部提供通道,进而加速材料氧化。

纤维和遮光剂对纳米孔粉体隔热材料性能的影响

新型高温隔热材料对工业窑炉高效节能作用显著,降低其高温辐射导热率有利于提高高温隔热性能。采用干压成型制备了添加不同种类和不同含量的纤维及遮光剂的纳米孔粉体隔热材料,分别测试了试样的常温耐压强度和不同温度下的导热系数,探讨了纤维和遮光剂对纳米孔粉体隔热材料的力学性能和隔热性能的影响,并利用SEM、EDS和FTIR对试样的微观结构和红外透射率进行了分析表征。结果表明,多晶莫来石纤维有效增强了纳米孔粉体隔热材料的耐压强度,掺杂9%(质量分数)多晶莫来石纤维试样在800℃的导热系数为0.047 W/(m·K),低于添加石英纤维的隔热材料;纳米SiC粉体和锆英石粉体作为遮光剂能够有效抑制辐射传热,降低高温辐射热导率,添加10%(质量分数)纳米SiC粉体遮光剂的隔热材料试样导热系数随温度的变化较小,在800℃仅为0.041 W/(m·K)。

热处理温度对ZrO_(2)纤维复合ZrO_(2)-C材料性能的影响

浸入式水口是钢铁连铸工序中关键的功能耐火材料,其中以渣线部位的工作环境最为恶劣。目前,最适合的渣线材料是ZrO_(2)-C材料。为了提高浸入式水口的性能,本文以氧化锆与鳞片石墨为主要原料,添加增强材料氧化锆纤维及金属硅粉等,以酚醛树脂为结合剂制备ZrO_(2)-C复合材料。比较了1000℃、1200℃和1500℃三种热处理温度对ZrO_(2)-C材料的性能及显微结构的影响,结果表明,在热处理温度高于1200℃时,ZrO_(2)-C材料中的硅粉与石墨发生反应生成碳化硅,大量晶须状碳化硅与ZrO_(2)纤维交错在一起形成网络结构,提高了材料的力学性能和抗热震性。

β-SiAlON含量对SiAlON结合刚玉材料性能的影响

以板状刚玉为骨料,以电熔白刚玉粉、Si粉、Al粉和α-Al_(2)O_(3)微粉为基质料,经1500℃保温3 h氮化烧成制备SiAlON结合刚玉材料,并通过调整Si粉和Al粉的加入量设计了β-SiAlON理论生成量(w)分别为10%、20%和30%的三种试样。采用XRD分析试样的物相组成,检测试样的致密度、强度、抗氧化性、抗热震性、抗渣侵蚀性和抗脱硫剂侵蚀性。结果表明:1)所制备的SiAlON结合刚玉材料由刚玉和β-SiAlON组成,其β-SiAlON含量与设计生成量基本吻合。2)随着β-SiAlON含量的增加,SiAlON结合刚玉材料的显气孔率逐渐减小,高温抗折强度、抗氧化性、抗热震性、抗渣侵蚀性和抗脱硫剂侵蚀性均明显提高。

镁铝合金添加剂对SiC-MgAl_(2)O_(4)材料显微结构和性能的影响

为探索煤气化用耐火材料的无铬化,本研究采用碳化硅颗粒和镁铝尖晶石细粉为主要原料制备SiC-MgAl_(2)O_(4)复合耐火材料,于流动氮气中500~1450℃热处理,对比未添加和添加4%(质量分数)镁铝合金粉的复合材料在热处理升温过程中的微观结构及性能变化,探究镁铝合金氮化烧成中形成的低维相对SiC-MgAl_(2)O_(4)复合材料性能的改善效果。结果表明,镁铝合金与热处理环境中的N 2、O_(2)的反应温度区间为650~800℃,主要反应产物为AlN和MgO。添加镁铝合金后的试样在700℃形成蜂窝状MgAl_(2)O_(4)尖晶石,增强了SiC骨料和MgAl_(2)O_(4)基质间的结合,此时试样的常温力学强度达到最高;900~1300℃时,MgAl_(2)O_(4)尖晶石由蜂窝状转变为棒状,1300~1500℃时,其再转变为片状、粒状的MgAlON尖晶石,这些形貌和物相的转变伴随体积膨胀,导致试样的强度小幅下降。镁铝合金的添加能使SiC-MgAl_(2)O_(4)在较低温度热处理下原位形成尖晶石,从而提高材料的力学性能。

高熵(Y_(0.2)Gd_(0.2)Dy_(0.2)Ce_(0.2)La_(0.2))TaO_(4)陶瓷材料的热学、力学及抗熔融硅酸盐环境沉积物侵蚀性能

新型高温热障涂层材料已成为新一代航空发动机发展的关键材料。本工作通过固相反应法合成了一种单斜结构的高熵稀土钽酸盐材料(Y_(0.2)Gd_(0.2)Dy_(0.2)Ce_(0.2)La_(0.2))TaO_(4)[(5RE_(0.2))TaO_(4)],研究了其热、力学性能及抗熔融硅酸盐环境沉积物(CMAS)侵蚀性能。结果表明:(5RE_(0.2))TaO_(4)具有极低的热导率(1.22 W·m^(–1)·K^(–1),600℃)和较高的热膨胀系数(10.3×10^(–6)K^(–1),1 200℃),与YSZ材料相比(2.1~2.7 W·m^(–1)·K^(–1),100~900℃)热导率下降了近42%。由于独特的铁弹增韧效应,其断裂韧性达2.8 MPa·m^(1/2),优于多数新型热障涂层材料。1 350℃不同时间及CMAS侵蚀后,(5RE_(0.2))TaO_(4)反应层厚度和渗透深度均显著小于YSZ材料,是一种极具应用潜力的新型热障涂层材料。