复合添加氮化硅和碳化硅对莫来石质耐火材料性能的影响

摘要

耐火材料是高温技术不可或缺的基础材料。耐火材料涉及钢铁、建材、有色金属冶炼、机械、化工等多项国民经济的支柱行业。莫来石质材料作为一种传统的耐火材料，具有耐火度高、热膨胀系数低、热震稳定性好、高温抗蠕变性好、具有很高的耐磨性及耐剥落、抗侵蚀性等一系列良好的性能。但由于莫来石中[SiO4]和[AlO4]四面体结构基元的空间的排列会随Al、Si比的变化而在其晶体结构中出现不同程度的周期性的氧缺位，使得其晶格间的空隙较多，进而导致莫来石材料的强度较低，影响了其在工业生产中的应用。氮化硅和碳化硅均为重要的耐高温硬质材料，把氮化硅和碳化硅作为增强相制备莫来石基复合材料，则能显著改善莫来石基复合材料的综合性能。
　　本文以莫来石、红柱石、碳化硅、氮化硅为主要原料，以二氧化硅微粉为结合剂，以聚乙烯醇为粘结剂，在1450℃保温400 min的烧成条件下，通过调整氮化硅和碳化硅的加入比例制备了复相耐火材料。对1450℃下制备的复相耐火材料进行显气孔率、体积密度、常温耐压强度、高温抗折强度、烧后线变化率、荷重软化温度的测试；通过多晶X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪（EDS）等分析测试手段对复相耐火材料的微观结构、物相组成等进行研究；将制备的复相耐火材料进行热震处理，观察其裂纹的产生和扩展情况，并对热震处理后的试样进行显气孔率、体积密度、耐压强度的测试，综合多种测试手段评价其抗热震性。
　　结果表明，在1450℃下制备的复相耐火材料的显气孔率基本维持在15％左右，体积密度在2.45 g/cm3左右，烧后试样产生了不同程度的膨胀，高温抗折强度和荷重软化温度也分别能够达到29.8 MPa和1560℃，都表现出了较高的水准，且基本不受氮化硅和碳化硅加入比例的影响，但是，复相耐火材料的常温耐压强度随着氮化硅含量的增加呈降低的趋势。
　　复相耐火材料在烧结过程中，氮化硅和碳化硅均发生了氧化，氧化后在材料表面形成一层黄褐色氧化产物，其主要为玻璃相；在复相耐火材料的截面出现致密层，且致密层的厚度随着氮化硅含量的增加而减小；复相耐火材料内部有大量纤维生成，它们是碳化硅和氮化硅在高温低氧分压的条件下氧化生成的气态一氧化硅在向外扩散的过程中遇氧形成的。
　　在复相耐火材料中添加氮化硅能够提高材料的抗热震性能，且随着氮化硅含量的增多，复相耐火材料的抗热震性能越好。当原料配方中的碳化硅全部被氮化硅替代时，复相耐火材料的热震十次后耐压强度保持率能够到达84%。