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Al_2O_3-Si系原料在不同气氛下的高温反应机理研究

李军营  
【摘要】: 近年来,非氧化物耐火材料成为耐火材料领域研究的热点,并引领着未来新型耐火材料的发展方向,而在众多的非氧化物耐火材料成员中,Sialon耐火材料因其更加优异的性能而倍受人们关注。目前,制取Sialon耐火材料的途径通常有两种:(一)利用化学原料氮化法合成;(二)利用天然原料碳热还原氮化法合成。综合分析以上两种途径发现:所采用的原料一般含有的主要成分是Al_2O_3和Si。因此,本文首先针对Al_2O_3-Si系统在纯氮气气氛和埋碳气氛下可能进行的反应进行热力学评估,然后以电熔刚玉和单质硅为原料压制成试样,再分别在两种气氛中不同温度点高温合成,采用XRD分析技术研究制品的物相组成,从而对Al_2O_3-Si系原料分别在氮气气氛和埋碳气氛合成过程中的物相变化和反应动力学机制进行了研究,结果发现: (一)在高纯氮气气氛下: (1)将试样经过高纯氮气气氛下高温反应,除去原料中原有的物相刚玉和Si,主要存在的物相是β-Sialon和Si_3N_4。 (2)新生物相β-Sialon(Si_(6-Z)Al_ZOZN_(8-Z),0Z4.2)中的Z值与温度和原料配比有关。 (3)物相在高纯氮气气氛下的反应机理是:首先单质硅和电熔刚玉被氮化生成Si_3N_4和AlN,然后Si_3N_4和AlN与Al_2O_3进行固溶反应生成β-Sialon。 (二)在埋碳气氛下: (1)将试样在埋碳气氛下合成,新生成的物相除了主要相SiC和Oˊ-Sialon外,合成温度在1550度以下还存在SiO_2相,1550度以上则存在X-Sialon相。 (2)在埋碳气氛下的合成机理是:单质硅和氮气反应生成Si_3N_4,金属Si和CO反应生成SiO_2和SiC;然后,SiC和Si_3N_4又分别转化成Si_2N_2O;与此同时,Al_2O_3和Si_2N_2O固溶合成Oˊ-Sialon。随着合成温度的升高,Al_2O_3会进一步在Oˊ-Sialon相中反应生成X-Sialon相。 (三)比较两种气氛下Al_2O_3-Si系原料合成机理的不同发现:有CO气体参与的反应是控制Al_2O_3-Si系原料最终合成产物的关键,并且,合成温度和原料配比也是影响Al_2O_3-Si系原料合成产物的生成速度和生成量的重要动力学因素。


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