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不同原料对碳热还原法合成Al_8B_4C_7和Al_2OC的影响

崔鹏  
【摘要】:在Al-B-C三元系统中,Al_8B_4C_7具有低密度(2.69g/cm3)、高温稳定性(~2103K)、低热膨胀系数、优良的半导体性能以及优异的抗氧化和抗水化等性能,有望成为一种优良的耐火材料用非氧化物的原料和结构陶瓷材料。利用氧化物原料取代元素单质粉末作为反应的起始原料降低了Al_8B_4C_7的合成成本,有利于工业化的生产。同时,碳热还原法工艺简单,被认为是一种很有前途的合成方法。在合成Al_8B_4C_7的过程中会伴随有中间相Al_2OC的产生,Al_2OC具有耐蚀性好、熔点高、抗热冲击性好、热膨胀率小等优点,是一种高性能耐火材料,也是一种优良的含碳耐火材料的抗氧化剂。然而关于Al_2OC的合成的报道较少,有必要对Al_2OC的合成及性能进行研究分析。本课题验证了利用氧化物原料通过碳热还原法合成Al_8B_4C_7和Al_2OC的可行性,并对其相关因素的影响以及反应机理进行了分析研究。 本论文采用Al/Al_2O_3、B_2O_3和活性碳粉为原料通过碳热还原法合成Al_8B_4C_7,利用热分析、XRD和SEM等分析测试技术,研究了不同合成温度、原料配比对反应合成Al_8B_4C_7材料的物相组成和显微结构的影响,并分析了其反应机理。以Al_2O_3、活性碳和B_2O_3为原料合成Al_2OC,分析了不同合成温度和B_2O_3的含量对碳热还原法合成Al_2OC的影响。同时研究了合成的Al_8B_4C_7和Al_2OC的高温抗氧化行为。 以Al/Al_2O_3、B_2O_3和活性碳粉为原料通过碳热还原法合成Al_8B_4C_7,在1800℃时,合成试样中Al_8B_4C_7的含量达到最大。过量的B_2O_3的添加有利于Al_8B_4C_7的合成,但同时产生了易水化的Al_4C_3。所生成的Al_8B_4C_7颗粒呈现出规则的六边形片状,Al_8B_4C_7的形成机理主要为气-固反应。以Al_2O_3、活性碳和B_2O_3为原料通过碳热还原合成Al_2OC,在1700℃时,合成试样中Al_2OC的含量达到最大,当Al_2O_3/C/B_2O_3的摩尔比为1:6:0.3~1:6:0.7时有利于Al_2OC的合成。反应生成的Al_2OC颗粒大部分呈现出规则的六边形片状,并且Al_2OC颗粒表面光滑,相互交错生长,Al_2OC的形成机理主要为气-固反应。 合成的Al_8B_4C_7粉体在空气中的开始氧化温度为700℃,在1500℃氧化产物为Al_(18)B_4O_(33);合成的Al_2OC粉体在空气中的开始氧化温度为720℃,在1500℃氧化产物为Al_2O_3。Al_8B_4C_7和Al_2OC都有利于镁碳砖抗氧化性能的提高,Al_8B_4C_7的效果尤为显著。


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