不同原料对碳热还原法合成Ai4SiC4和Al4O4C的影响

摘要

在Al-Si-C三元系统中,Al4SiC4由于其低密度(3.03 g/cm3),高熔点(～2353 K)以及优异的抗氧化抗水化性能,有望成为高性能耐火材料和高温结构材料,日益受到关注。到目前为止,合成Al4SiC4的方法已有很多种。但大多数合成方法都需要高成本的单质元素粉末或合成原料,限制了Al4SiC4的工业化应用。出于经济和效率的双重考虑,碳热还原法由于其工艺简单,被认为是一个很有前途的方法。同时,利用天然原料作为反应的初始原料更是大大降低了合成成本,有利于工业化的生产。研究利用氧化物体系天然原料由碳热还原法合成Al4SiC4的反应机理以及相关的影响因素对其开发应用具有重要的指导意义。而在氧化物体系中利用碳热还原法合成Al4SiC4的过程中会伴随有Al4O4C的生成。Al4O4C可被用作高性能耐火材料或含碳耐火材料用添加剂。然而关于Al4O4C的合成的相关文献较少,有必要对Al4O4C的合成及相关性能进行分析研究。
　　 本论文采用矾土熟料,SiO2/SiC和炭黑为原料利用碳热还原法合成Al4SiC4,利用热重分析、XRD和SEM等测试技术,分析了其反应机理,以及不同原料的配比,煅烧温度对反应合成材料物相组成和显微结构的影响。以氧化铝和炭黑两种粉末为原料并添加Al粉后合成Al4O4C。对比分析了铝粉和炭黑的添加量对碳热还原反应生成Al4O4C影响,并测试了合成的Al4O4C对镁碳砖抗氧化性能的影响。
　　 以矾土熟料,SiC和炭黑为原料进行碳热还原合成,首先是矾土熟料中硅线石的碳热还原,然后是Al2O3的碳热还原,反应过程中间产物为Al4O4C,最后其于SiC,C反应合成Al4SiC4,所生成的Al4SiC4晶粒为不规则的片状晶粒,Al4SiC4的形成机理主要为固-固反应:以矾土熟料,SiO2和炭黑为原料进行碳热还原合成,多了SiO2的碳热还原,而合成的Al4SiC4晶粒大部分呈现出六方片状的形貌,晶粒的表面光滑,交错生长在一起,Al4SiC4的形成机理主要为气-固反应。当Si源不足时会生成Al8SiC7,随Si源增加会出现单质Al和Si。在高温下金属Al和Si会形成液相,包裹并连接Al4SiC4晶粒,同时在Al4SiC4晶粒表面上液相的金属Al和Si会促进Al4SiC4晶粒的成核。
　　 以氧化铝和碳反应生成Al4O4C主要反应机理为固-固反应,生成的Al4O4C晶粒为不规则小颗粒;以氧化铝、金属Al和碳反应生成Al4O4C主要反应机理为气.固反应,生成的Al4O4C晶粒为板状。随Al加入量的增加,生成Al4O4C的反应速率加快,生成量增大。随C的增加,Al2O3的含量基本没有改变,而Al4O4C生成量减少,Al2OC的生成量增加。合成的Al4O4C开始氧化温度约为809℃,添加Al4O4C的镁碳砖抗氧化性能与添加Al的含碳试样相当。