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氮化硅復(fù)合材料

       隨著科技的不斷發(fā)展,環(huán)境保護(hù)在生活生產(chǎn)中得到越來越高的重視。傳統(tǒng)重工業(yè)特別是金屬冶煉等高溫工業(yè),迫切需要改變生產(chǎn)方式以適應(yīng)國家發(fā)展要求。微波加熱技術(shù)的出現(xiàn)使得高溫加熱有了更節(jié)能環(huán)保的加熱方式,其中用微波加熱的方式來冶煉金屬被稱為綠色冶金,是近年來興起的新技術(shù)。但微波冶金技術(shù)的應(yīng)用對微波冶金窯爐用耐火材料的性能也提出了更高的要求。莫來石制品、氮化硅制品及其復(fù)合材料成為應(yīng)用前景的微波冶金用耐火材料。 ??              氮化硅及莫來石-氮化硅復(fù)合材料的制備方法及其性能進(jìn)行了研究。實驗以電熔剛玉、電熔莫來石及Si粉為原料,在氮氣氣氛下1420℃保溫24h燒成,分別制備了剛玉-氮化硅復(fù)合材料和莫來石-氮化硅復(fù)合材料,并對復(fù)合材料的性能進(jìn)行了研究,結(jié)果如下: ??       氮化硅和莫來石-氮化硅復(fù)合材料的物相組成與常溫物理性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:兩種復(fù)合材料中除了主晶相剛玉和莫來石外,原位生成的物相主要為β-Si3N4及少量的β-Sialon和O′-Sialon相。氮化硅與剛玉和莫來石的結(jié)合較好,結(jié)構(gòu)致密。隨著Si粉加入量的增加(10wt%~15wt%),兩種復(fù)合材料的常溫抗折強(qiáng)度及耐壓強(qiáng)度均有提高。 ??       氮化硅和莫來石-氮化硅復(fù)合材料常溫介電性和高溫下電磁波對材料的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示:兩種復(fù)合材料的介電常數(shù)均小于10,在微波透明體參數(shù)范圍內(nèi)。兩種復(fù)合材料在微波作用下升溫速度較小,符合微波冶金窯車用耐火材料的要求。兩種復(fù)合材料相比,莫來石-氮化硅復(fù)合材料的透波性更好。 ??       氮化硅和莫來石-氮化硅復(fù)合材料的抗氧化性及抗鎳鐵礦侵蝕性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:隨制備材料時Si粉加入量的增多(10wt%~20wt%)兩種復(fù)合材料氧化增重率越來越大;Si粉加入量為15wt%時,材料的抗氧化性和抗侵蝕性均較好;兩種復(fù)合材料相比,剛玉-氮化硅復(fù)合材料的抗氧化性和抗侵蝕性均優(yōu)于莫來石-氮化硅復(fù)合材料。 ??       對實驗結(jié)果較好的剛玉-氮化硅復(fù)合材料進(jìn)行了試生產(chǎn),并作為微波冶煉鎳鐵礦的窯車材料使用,窯車工作一個月后材料性能穩(wěn)定,使用效果良好。       我們有多孔材料、石墨烯、鈣鈦礦、量子點、納米顆粒、空穴傳輸材料、納米晶、化學(xué)試劑、光電化學(xué)品、有機(jī)光電和半導(dǎo)體材料、材料中間體、酶制劑、酶底物、定制類納米管、定制氮化物等一系列產(chǎn)品。

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氮化硅鐵在耐火材料中的應(yīng)用

氮化硅鐵在耐火材料中的應(yīng)用

       前氮化硅鐵主要用作高爐出鐵口炮泥、出鐵溝等炭系耐火材料中。由于Fe-Si3N4具有熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性好及不易被熔渣滲透等特點,也被用于合成復(fù)合材料、鎂質(zhì)澆注料、不燒無鉻耐火材料等。       氮化硅鐵       1、在Al2O3-SiC-C系耐火材料中的應(yīng)用       1.1在Al2O3-SiC-C質(zhì)炮泥中的應(yīng)用       試驗和工業(yè)應(yīng)用表明:氮化硅鐵不僅可以改善炮泥的物理性能、高溫強(qiáng)度,而且對炮泥的開口性能、抗侵蝕沖刷性能等應(yīng)用性能的提高具有很好的效果。近年來,全國重點大型鋼鐵企業(yè)2000m3以上高爐堵鐵口炮泥基本上都使用氮化硅鐵。添加氮化硅鐵的炮泥很好地滿足了大型高爐的需要,使高爐出鐵次數(shù)由18次普遍降低到12次,可降到6次。炮泥的消耗量由每噸鐵1.2kg降低到0.5kg。       但是氮化硅鐵在炮泥中的添加達(dá)到一定量以后,炮泥的綜合性能提高不明顯,因此,應(yīng)控制好氮化硅鐵加入量。有研究認(rèn)為,氮化硅鐵加入量控制在10%~20%(w)時,炮泥綜合性能好。       關(guān)于氮化硅鐵在高爐炮泥中作用機(jī)制的研究有不少報道。文獻(xiàn)中對氮化硅鐵在高爐出鐵口用炮泥料中的性狀進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在1250℃開始放出隊;1300℃以上時,鐵常常發(fā)生硅鐵化;1400~1500℃時反應(yīng)劇烈,放出大量氣體,基質(zhì)中生成了SiC和AlN。分析認(rèn)為,氮化硅鐵在炮泥中發(fā)生的反應(yīng)如下:       9Fe+Si3N4→3Fe3Si+2N2,(1)       3Fe+Si3N4+2C→Fe3Si+2SiC+2N2,(2)       9Fe+Si3N4+Al2O3+3C→2AlN+3Fe3Si+3CO+N2。(3)       可見,在炮泥中加入氮化硅鐵,高溫下在基質(zhì)中生成SiC和AlN,增強(qiáng)了基質(zhì),同時產(chǎn)生大量氣體,可以提高炮泥的氣孔率,改善炮泥的開口性能和透氣性能,產(chǎn)生的氣體可以減少與鐵水接觸界面的摩擦,防止?fàn)t渣侵蝕。       氮化硅鐵-碳體系中高溫下主要發(fā)生氮化硅向碳化硅的轉(zhuǎn)變,F(xiàn)e對Si3N4向SiC轉(zhuǎn)化具有明顯的促進(jìn)作用,是由于SiC-C復(fù)相材料的形成而強(qiáng)化了高爐炮泥的強(qiáng)度及抗熔渣侵蝕性能,使用性能大大提高。研究認(rèn)為,高溫下Si3N4同金屬Fe反應(yīng)生成的Fe3Si增加液相量,不僅促進(jìn)燒結(jié),而且促進(jìn)α-Si3N4向β-Si3N4轉(zhuǎn)變,形成長柱狀晶粒;另外,Si3N4同C反應(yīng)生成SiC,大量Si3N4和SiC彼此交叉構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高了炮泥的高溫強(qiáng)度。然而,徐國濤等則認(rèn)為1300℃以上,氮化硅鐵并不一定發(fā)生硅鐵化,其認(rèn)為氮化硅鐵首先分解為氮化硅與Fe,F(xiàn)e容易氧化形成硅鐵的氧化物固溶體,而分解的氮化硅也可能發(fā)生氧化生成氮氧化合物,產(chǎn)生N2,可以避免炭素被氧化,也可促進(jìn)燒結(jié)過程中生成微小氣孔,有利于改善炮泥的透氣性能和開口性能。       1.2在Al2O3-SiC-C質(zhì)鐵溝料中的應(yīng)用       將少量Fe-Si3N4加入到Al2O3-SiC-C質(zhì)鐵溝料中,可改善材料的抗氧化性,提高材料的高溫強(qiáng)度,因而極大地提高了高爐出鐵溝的通鐵量。研究發(fā)現(xiàn),氮化硅鐵可以顯著改善Al2O3-SiC-C質(zhì)出鐵溝澆注料的抗氧化性,而且隨著氮化硅鐵加入量的增加,抗氧化能力增強(qiáng)。其抗氧化機(jī)制為:在高溫氧化氣氛下,表面氮化硅鐵中的Si3N4首先氧化生成SiO2,構(gòu)成氧化層的主體;隨著鐵相材料的氧化,形成的氧化鐵不但降低了氧化層的熔點,而且降低了熔體的黏度,增進(jìn)熔體在材料表面上的潤濕性及流動性,形成覆蓋于材料表面的氧化層而阻止炭素氧化,使其具有比純Si3N4更好的抗氧化性能。但是加入氮化硅鐵,會使?jié)沧⒘系募铀吭黾?,常溫性能指?biāo)有所降低,因此要控制氮化硅鐵的加入量,以保證具有足夠的施工性能和脫模強(qiáng)度。       鐵溝料       1.3在Al2O3-SiC-C磚中的應(yīng)用       研究表明,在魚雷車用Al2O3-SiC-C磚中加入氮化硅鐵,提高了高溫抗折強(qiáng)度,原因是加入氮化硅鐵后,在高溫下生成S2N2O,且隨著氮化硅鐵加入量的增多,Si2N20增多,高溫抗折強(qiáng)度增大。       2、Fe-Si3N4-SiC復(fù)合材料       Si3N4-SiC材料具有良好的理化性能和高溫性能,廣泛用于高爐、鋁電解槽等高溫領(lǐng)域,具有很好的使用效果。與純氮化硅相比,氮化硅鐵具有更好的燒結(jié)性,可用作高溫結(jié)合相。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為90%和10%的工業(yè)SiC和硅鐵粉為原料,外加2%(w)的黃糊精,經(jīng)1380℃5h氮化燒成制備出Fe-Si3N4結(jié)合SiC復(fù)合材料,生成的物相除巧為、SiO2外,還含有少量硅鐵(FeSi)和單質(zhì)Fe。       以質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%和88%的FeSi粉和SiC為主要原料,通過直接氮化反應(yīng)燒結(jié),成功制備出Fe-Si3N4-SiC復(fù)合材料,其主要物相為SiC、α-Si3N4、β-Si3N4和Fe3Si,硅鐵金屬間化合物均呈直徑小于10μm的類球狀,均勻分布的硅鐵金屬間化合物可以作為金屬塑性相。合成的Fe-Si3N4-SiC制品的常溫耐壓強(qiáng)度和高溫抗折強(qiáng)度均優(yōu)于Si3N4-SiC材料。Fe-Si3N4-SiC復(fù)合材料不僅含有高溫增強(qiáng)相SiC和氮化硅,還含有金屬塑性相(Fe、FeSi或Fe3Si),可改善材料的抗熱震性,該材料有望在高溫領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。       3、在其他耐火材料中的應(yīng)用       氮化硅鐵含有氮化硅和Fe相,具有高溫性能好,熱膨脹系數(shù)小,抗熱震性好以及不被熔渣滲透等一系列優(yōu)異性能,也已被用到其他耐火材料中。利用氮化硅鐵含有高溫增強(qiáng)相氮化硅和金屬塑性相Fe,以剛玉、尖晶石為原料,將氮化硅鐵以細(xì)粉形式添加,根據(jù)過渡塑性理論制備出低成本的抗氧化、抗侵蝕性好的無鉻不燒耐火材料。該耐火材料具有優(yōu)良的物理性能,良好的抗氧化性和鋼水侵蝕性,可用來代替鎂鉻磚用于RH精煉爐。       將一定量的氮化硅鐵引入到鎂質(zhì)澆注料中,改善了鎂質(zhì)澆注料的中高溫處理后的強(qiáng)度以及熱態(tài)抗折強(qiáng)度,其認(rèn)為這是因為氮化硅鐵在加熱過程能部分氧化成SiO2,進(jìn)而形成纖維狀的鎂橄欖石,增大強(qiáng)度;鐵相物質(zhì)能和方鎂石固溶,促進(jìn)燒結(jié)。將氮化硅鐵引入到高鋁質(zhì)澆注料中制備高熱震性和抗侵蝕性好的高鋁澆注料,期望可以代替用于與鋁液接觸的部位(要求具有高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的抗熱震性)的高鋁磚。結(jié)果發(fā)現(xiàn),加入氮化硅鐵后,干燥和燒后材料的顯氣孔率降低,體積密度、強(qiáng)度增大,雖然熔渣對試樣的滲透增大,但是熔渣對試樣的侵蝕減輕。
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