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碳化硅制品的材质分类

添加时间:2017年8月30日  浏览次数:

      碳化硅制品是指以工业SiC为原料经烧制而成的一种以SiC为主要成分的高级耐火材料。它既有常温和高温强度、热导率大、热膨胀系数小、抗热震性好、高温耐磨性优良、抗化学侵蚀性强等一系列优异性能,已广泛地用于钢铁、有色冶金、化学、电力、陶瓷和航空航天等工业领域。

          碳化硅质制品可按Sic含量、结合剂种类和加入量来分类,材料的性能很大程度上取决于材料中Sic颗粒间的结合状况,故通常按结合相种类对Sic制品进行分类。根据结合相的不同,Sic制品可分为以下几种。

      ①氧化物结合Sic。以AL2O3SiO2系硅酸盐为结合相,包括粘土结合、莫来石结合和SiO2结合Sic

      ②氮化物结合Sic。结合相为Si3N4Si2N2OSialon等共价键化合物

      ③自结合Sic。包括β-Sic结合Sic和重结晶Sic

④渗硅反应烧结Sic。由Sic和有利Si组成的一种Sic质工程陶瓷材料。

    此外,通常将Sic含量在50%以下的耐火制品称为半Sic质制品,半Sic质制品包括熟料SiC制品、高铝SiC制品、锆英石Sic制品、莫来石Sic制品和刚玉Sic制品等。各种碳化硅制品分类见下述。

碳化硅制品


一:什么是氧化物结合碳化硅制品

氧化物结合碳化硅制品的结合相矿物组成主要为石英,莫来石和硅酸盐玻璃相,根据结合相物相组成上的差异,相应地将氧化物结合Sic制品分类为SiO2结合,莫来石和粘土结合SiC三种。

二:什么是氮化物结合碳化硅制品

Si3N4结合SiC制品是Si3N4为结合相的Si3N4/SiC复相耐火材料,制品的主晶相为SiC,次晶相为a- Si3N4和β-Si3N4,通常含有少量或微量的Si2N2O和游离Si。不同厂家的产品在物相组成上略有差异。在大对数Si3N4结合SiC产品中,其结合相Si3N4通常以a- Si3N4为主。Si3N4晶体结构属六方晶系,一般分为两种晶相:α相和β相,均由[SiN4]四面构成。在结构上,β-Si3N4对称行较高,摩尔体积较小,在温度上是热力学稳定相。a- Si3N4在动力学上较易生成,高温(1400~1800℃)时,α相会发生重构型相变,不可逆地转变为β相。a- Si3N4呈白色或灰白色疏松羊毛状或针状体,β-Si3N4呈致密的颗粒状多面体或短柱体。对于Si3N4结合SiC制品,物相组成的差异将影响材料显微结构和性能。国内外多数Si3N4结合SiC制品中,基质部分通常由较多量的纤维状或针状a- Si3N4,少量粒状或柱状β-Si3N4以及SiC细颗粒组成,Si3N4交织成三维空间网络,将SiC颗粒紧密结合。

制品的抗折强度通常随温度升高而提高,至800℃达到峰值并一直维持1400℃,而后随温度升高急剧下降,但1600℃时仍有约30MPa。目前,国内外多数产品的1400℃抗折强度高于其常温抗折,有研究者认为,导致这种结果的原因为:①高温氧化物钝化了裂纹尖端,降低了气孔率:②高温下应力清除和微裂纹愈合。

Si3N4结合SiC材料热传导率较高,随着温度的升高,热导率逐渐降低,高温时仍有较高的热导率。Si3N4结合SiC材料的热膨胀系数较小。Si3N4结合SiC制品具有较好的抗氧化性能。研究表明,Si3N4结合SiC材料在空气、水蒸气及不同CO/CO2比的混合气相中,其高温氧化过程基本上遵循抛物线型氧化规律,前期为化学反应控诉阶段,后期为扩算控速阶段。材料在高温氧化性气氛中使用时,表面将形成致密的SiO2保护层,有利于防止进一步氧化蚀损,表现为保护性氧化

三:什么是莫来石结合SiC碳化硅制品

    这类制品是在粘土结合SiC基础上发展起来的一类高级的SiC制品。结合相原料通常选用纯度高的AL2O3SiO2微粉或细粉,有是添加少量的硅线石,红柱石和蓝晶石细粉,结合相组成以莫来石为主,玻璃相含量低,莫来石结合SiC中,SiC含量一般75%~90%,烧成温度通常为1400~1500℃。莫来石结合SiC制品使用性能明显优于黏土结合SiC,目前在陶瓷、有色冶金、机械等行业仍在使用。

四:什么是粘土结合SiC制品

    这类制品出现于20世纪40~50年代,SiC质含量一般为50%~95%。结合相原料以结合黏土为主,通常还加入硅线石、红柱石,蓝晶石等矿物细粉原料,烧成温度为1350~1450℃,可与黏土质耐火材料一同烧成。结合相原料种类和含量将影响制品的性能,随着黏土含量的增加,材料的抗氧化性提高,但导热性、荷重变形温度、抗热震性和高温强度等下降。物相分析表明,粘土结合SiC材料的结合相由使用、莫来石和硅铝酸盐玻璃组成。黏土和硅酸铝质矿物原料中,均不同程度地存在这R2OROFe2O3等杂质,它们在高温烧成过程中将进入玻璃相中,这将严重影响材料的高温性能。由于玻璃相含量较多,这类制品高温性能较差。

    粘土结合SiC制品主要用作各种工业窑炉的隔焰板、陶瓷窑具(棚板、立柱、匣钵等)。在粘土结合SiC窑具材料中,由于SiC材料所具备的优异性能遭到粘土结合相的破坏,材料高温性能差,窑具本身厚度和重量偏大,产品装填比例低,烧成能耗高,造成了SiC资源和能源的浪费,现在已基本不生产和使用这类耐火制品。

关键词:SiC   碳化硅砖   
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