从显微结构方面研究纳米颗粒的加入对碳和氧化物基耐火材料热震稳定性的改善

摘要

本文研究了在冶金应用上,氧化钛纳米颗粒被用于镁碳,氧化锆和氧化铝基的实验室耐火材料试样,来提高抗热震性.通过加入普通的铝抗氧化剂和氧化钛纳米粉末的无机复合添加剂,增加了碳结合材料的强度.从而陶瓷纳米粉末在不同的阶段起作用.在焦化阶段,陶瓷纳米粉末导致了碳化物晶须的形成,伴随着加入的抗氧化剂的减少.温度高于1000℃,碳化物晶须的形状从针状变为哑铃状,这归因于碳化物纤维和陶瓷纳米颗粒之间的反应.这些纤维的直径是纳米级的.碳化物纤维的网络结构结合了陶瓷晶粒和碳基质,提高了强度和抗热震性.因具有这种结构,在第一次热震循环之后,强度增加了.如果陶瓷纳米颗粒的氧化发生了,就会因其具有大的比表面积而作为陶瓷晶粒的脱碳层的烧结助剂,从而导致了气孔率下降,因此降低了边缘的陶瓷和碳的复合材料的氧化. 如果氧化钛纳米颗粒和氧化铝微米颗粒加入到氧化镁部分稳定的氧化锆基质中,大量的四方相被改变了,不定形相增加.氧化钛分散在氧化锆晶格中,部分的氧化镁稳定剂从氧化锆晶胞中移出,与氧化铝反应生成尖晶石.通过稳定剂的损耗,马氏体相变发生了.因为马氏体相变和尖晶石的生成,形成了微裂纹结构,导致了低的热膨胀系数和低的杨氏弹性模量.因此,细晶粒氧化锆基耐火材料具有优异的热震稳定性. 最后但非最不重要的,如果"尖晶石成分"在氧化铝基质中生成,基质有三个不同的区:(1)富氧化锆的区,有正的热膨胀系数,被富氧化钛的区所环绕;(2)富氧化钛的区,有负的热膨胀系数;(3)ZrO2-TiO2-Al2O3区,在基质的Al2O3晶粒之间起"胶水"的作用.生成了具有非常低的弹性杨氏模量和线形热膨胀系数的氧化铝基质.这两种特征都导致了抗热震性的提高.纳米级颗粒加速了较低温度下微米颗粒之间的反应,由于原位生成新相和/或微裂纹结构,从而导致了热震稳定性提高.