Al2O3晶须碳辅助合成及对Al2O3-C耐火材料强度的影响

摘要

Al2O3晶须具有高比强、高比模量和高温抗氧化等优越性能，是高温结构陶瓷材料中极具潜力的补强剂之一。本试验以碳辅助法合成的Al2O3晶须为研究对象，通过改变温度、保温时间、添加剂的种类、炭源和铝碳质量比，利用X射线衍射仪和扫描电镜，对产物的物相和显微结构进行分析，研究了Al2O3晶须的生长机理及影响形貌的因素。并将合成的晶须加入到铝碳耐火材料中，通过检测试样的物相组成、显微结构、显气孔率、体积密度、耐压强度和抗热震性能等，研究了Al2O3晶须对Al2O3-C耐火材料显微结构和力学性能的影响规律。
　　碳辅助法合成Al2O3晶须的热力学研究表明:在氩气气氛下，合成温度在900～1400℃时，碳辅助法合成Al2O3反应的吉布斯自由能的变化△G(T)θ＜0。体系中产物的稳定物相为Al2O3，AlN和Al4C3不稳定。试验结果表明，合成产物中有Al2O3相存在，并有少量的Al4C3，不存在AlN，与热力学分析结果相符。
　　温度对Al2O3晶须合成的影响研究结果表明:当合成温度为1100℃时，Al2O3晶须呈不规则扭曲的纤维状，尖端有液滴结构，直径80～150nm;当合成温度为1200℃时，Al2O3晶须呈笔直的针刺状，晶须包裹在石墨表面形成“刺球”状，直径100～250nm;当合成温度为1300℃时，Al2O3晶须呈笔直长柱状或短棒状，直径200～500nm。随着合成温度的升高，Al2O3晶须的直径和长度均呈增大趋势。
　　保温时间对Al2O3晶须合成的影响研究结果表明:当合成温度为1200℃×3h时，Al2O3晶须呈笔直的针刺状，直径100～250nm;当合成温度为1200℃×6h时，Al2O3晶须呈笔直的柱状，其尖端有液滴状小球，直径200～450nm;表明当合成温度一定时，随着保温时间增长，Al2O3晶须的直径会逐渐增大。
　　添加剂对Al2O3晶须合成的影响研究结果表明:未加入添加剂合成的Al2O3晶须呈笔直的针刺状，直径100～250nm;加入添加剂合成的Al2O3晶须呈笔直的六棱柱状，直径300～800nm。表明添加剂对Al2O3晶须的生长发育有促进作用。
　　炭源对Al2O3晶须合成的影响研究结果表明:当合成温度为1300℃×3h时:以200目石墨做为炭源合成的Al2O3晶须为分枝状，直径100～800nm;以1000目石墨做为炭源合成的Al2O3品须呈细长的丝状，直径50～200nm;以炭黑做为炭源合成的Al2O3晶须呈直线形，直径100～400nm。表明粒径小的同种炭源相同温度下合成的晶须直径更小，活性大的小粒径炭源在相同温度下合成的晶须直径更大。
　　铝碳质量比对Al2O3晶须合成的影响研究结果表明:铝碳比为3∶7时，Al2O3晶须呈笔直的针刺状，直径100～250nm;以铝碳比为8∶2时，产物为笔直的柱状的Al2O3晶须和球状的Al2O3颗粒，晶须直径200～1200nm，球状颗粒的粒径为0.3～2μm。表明铝碳比过大时不利于氧化铝晶须的合成。
　　Al2O3晶须的生长机理研究表明:在温度较低时铝熔融成为金属液滴，待过饱和度达到一定值时，氧化铝成核析出，在能量较高的晶面开始以VLS机理定向生长;温度继续升高，AlOx与体系内极少的O2反应，在较高能量的晶面上以VS机理定向生长成为晶须。碳辅助法合成氧化铝晶须时，VLS和VS两种机理同时存在。
　　Al2O3晶须对Al2O3-C耐火材料力学性能的影响研究结果表明:在试样中添加晶须可将材料的常温耐压强度由20MPa提高到40MPa，热震残余强度由18MPa提高到36MPa。预加晶须试样的显微结构更致密，内部存在粒径为200～500nm的六角状氧化铝薄片和氧化铝晶须;而未添加的试样显微结构疏松，生成了大量直径在2～10μm形状不规则的氧化铝颗粒。由于晶须的裂纹桥连、裂纹偏转和拔出效应等特性，对材料起到了增强增韧的作用，Al2O3晶须使铝碳耐火材料的综合力学性能提高了1倍。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 无机物晶须的国内外研究现状分析

1．2 无机物晶须的合成方法、特点及应用

1．2．1 AIN晶须

1．2．2 SiC晶须

1．2．3 MgO晶须

1．2．4 Al2O3晶须

1．2．5 其他晶须合成方法

1．3 无机物品须的形成机理

1．3．1 液-固(LS)机理

1．3．2 气-液-固(VLS)机理

1．3．3 其它生长机理

1．4 选题依据和研究内容

第二章 试验研究过程及方法

2．1 试验原料

2．2 试验设备

2．3 试验方法

2．3．1 Al2O3晶须的制备

2．3．2 Al2O3晶须对铝碳耐火材料强度的影响

2．3．3 测试方法

第三章 碳辅助法合成Al2O3晶须的热力学研究

3．1 原料及研究方法

3．1．1 原材料的选择

3．1．2 碳辅助法的工艺流程

3．2 热力学研究

3．2．1 基本原理

3．2．2 热力学计算

3．3 本章小结

第四章 影响碳辅助法合成Al2O3晶须形貌因素的研究

4．1 合成温度对晶须形貌的影响研究

4．1．1 试验方案

4．1．2 结果与讨论

4．2 保温时间对晶须形貌的影响研究

4．2．1 试验方案

4．2．2 结果与讨论

4．3 添加剂对晶须形貌的影响研究

4．3．1 试验方案

4．3．2 结果与讨论

4．4 不同炭源对晶须形貌的影响研究

4．4．1 试验方案

4．4．2 结果与讨论

4．5 碳铝比晶须形貌的影响研究

4．5．1 试验方案

4．5．2 结果与讨论

4．6 碳辅助法合成Al2O3晶须的生长机理

4．6．1 气—液—固(VLS)机理

4．6．2 气—固(VS)机理

4．7 本章小结

第五章 Al2O3晶须对铝碳耐火材料显微结构及力学性能的影响

5．1 试验设计

5．1．1 原材料的选择

5．1．2 试验过程

5．2 热处理后试样相组成和显微结构分析

5．2．1 XRD物相组成分析

5．2．2 SEM和EDS分析

5．3 不同温度热处理试样的线变化率

5．4 不同温度热处理试样的体积密度和显气孔率

5．5 不同温度热处理试样的冷态耐压强度

5．6 抗热震性

5．7 试验结果分析

5．7．1 裂纹桥连机制和拔出效应

5．7．2 裂纹偏转机制

5．8 本章小结

第六章 结论

参考文献

研究生期间研究成果

致谢