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杂质在反应合成三元碳化物合成过程中的作用机理

匡健磊  
【摘要】: Al4SiC4和Al8B4C7具有许多优异的性能,如高熔点、低密度和优异的抗氧化性能,有望成为高性能耐火材料和高温结构材料,而日益受到关注。目前合成这两种三元碳化物主要采用人工合成原料,虽然能制备出高纯相,但相应的制备成本较高,如果采用天然原料制备,则相对成本较低,有利于大规模工业应用。然而,天然原料制备的一个关键问题是其含有一定量的杂质成分,这些杂质成分不可避免地会对合成产生影响,进而影响材料的性能和应用,因此,有必要研究相关杂质在合成过程中的作用。 本课题采用焦宝石和硼砂为原料分别合成Al4SiC4和Al8B4C7,利用热重分析、化学分析、XRD和SEM等测试技术,研究了K2O、Na2O、Fe2O3和TiO2四种杂质对反应合成材料物相组成和显微结构的影响。 在三元碳化物合成过程中,K2O和Na2O高温下大量蒸发,含量降低;Fe2O3和TiO2仅有少量流失。 在合成Al4SiC4的过程中,K2O能够促进Al4SiC4的生成,同时获得尺寸更大和更规则的六方片状晶粒;Na2O会导致片状Al4SiC4晶粒表明缺陷增多;Fe2O3转变为低熔点物相Fe3Si,产生液相促进Al4SiC4成核、细化晶粒,同时包裹Al4SiC4;TiO2转变为TiC,不仅提升Al4SiC4的生成温度至1600℃,而且Ti4+进入Al4SiC4晶格促使其在1700℃分解。 在合成Al8B4C7的过程中,K2O和TiO2均提升Al8B4C7的生成温度至1400℃,并且在1700℃还生成新的未知物相。K2O的加入降低Al8B4C7生成量,生成的晶形仅含有无规则小颗粒。Fe2O3并没有转变为独立的含Fe物相,而是Fe3+进入其晶格形成连续置换固溶体,生成的Al8B4C7也仅有无规则小颗粒。TiO2转变为TiB2,随TiO2加入量增加,Al8B4C7生成量减少,并由无规则小颗粒向松散的片状粒子转变。


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