利用锆英石制备ZrO2-SiC、ZrN-Si3N4复合粉体及ZrN-Sialon结合刚玉复合材料

论文摘要

本文首次以锆英石为原料,对其材料化利用进行了研究,为实现矿产的综合利用开辟一条新途径。在热力学分析的基础上,采用碳热还原（氮化）法制备出ZrO2-SiC和ZrN-Si3N4复合粉体,探讨了其合成机理；将ZrO2-SiC复合粉体应用于Al2O3-C质耐火材料中,研究了其添加量对耐火材料性能的影响；通过原位反应制备了Al2O3-ZrO2-SiC-C系复合耐火材料,探讨了在刚玉质和Al2O3-C质耐火材料中原位生成ZrO2-SiC材料的可行性。还以锆英石、碳黑、氧化铝微粉和电熔刚玉为原料,成功制备出ZrN-Sialon结合刚玉复合材料,并对其性能进行了研究。主要结论如下：（1）分析了CO（g）、SiO（g）、ZrO（g）、N2（g）和02（g）等气相分压对Si-C-O、Zr-C-O、Zr-Si-C-0及Si-C-N-0等体系相稳定性的影响。（2）研究了加热温度和添加La203对ZrO2-SiC复合粉体合成过程的影响,并探讨了其合成机理和La2O3的催化作用机理。结果表明,在本实验条件下,提高加热温度和添加La2O3有利于ZrSiO4的分解及SiC的生成；不添加La2O3时,适宜的合成温度为1600℃；当添加2%质量分数的La2O3时,其合成温度降低为1530℃。（3）以电熔刚玉、天然石墨和酚醛树脂为原料,自合成ZrO2-SiC和工业SiC粉体为添加剂制成Al2O3-C质耐火材料,研究了添加剂加入量对耐火材料性能的影响,并分析了添加剂的抗氧化及抗热震机理。结果表明,添加ZrO2-SiC及工业SiC粉体均有利于降低Al2O3-C质耐火材料的显气孔率,提高其体积密度和常温耐压强度,改善其抗氧化性及抗热震性。在本实验条件下,添加6%质量分数的ZrO2-SiC复合粉体及工业SiC粉后,耐火材料的抗氧化和抗热震性能最佳。（4）以电熔刚玉、天然石墨、锆英石及碳黑为原料,利用碳热还原反应在刚玉质和Al2O3-C质耐火材料中原位合成ZrO2-SiC材料。研究了原料组成、成型压力及加热温度等因素对材料制备及性能的影响。结果表明,以电熔刚玉、锆英石和碳黑为原料,在氩气气氛中于1530℃保温4h可以合成出Al2O3-ZrO2-SiC复合耐火材料;当加入20%（质量分数）锆英石和碳黑时,Al2O3-ZrO2-SiC材料的体积密度为2.58g／cm3。将适量的锆英石添加到Al2O3-C耐火材料中,于1500℃下保温4h可以原位合成Al2O3-ZrO2-SiC-C复合耐火材料；在200MPa压力下成型于该温度下合成材料的体积密度为2.73g／cm3,质量损失率为7.69%。（5）研究了原料组成、加热温度和保温时间等工艺因素对ZrN-Si3N4复合粉体合成过程的影响,并探讨了其合成机理。结果表明,配料组成中碳黑的含量越大,碳热还原反应进行得越完全,但配C量存在一个最佳值；提高加热温度和延长保温时间均有利于ZrSiO4的分解及Si3N4和ZrN的生成。综合考虑,锆英石与碳黑的质量配比为100/40、1500℃保温12h是较理想的合成条件。（6）根据有关反应的热力学数据绘制了Al2O3-ZrO2-SiO2-C-N2体系优势区图,分析了CO气相分压和温度对体系相稳定性的影响。研究了原料组成和加热温度等工艺因素对ZrN-Sialon结合刚玉复合材料制备及性能的影响,并探讨了其合成机理。结果表明,提高加热温度和增加锆英石和碳黑加入量均有利于ZrSiO4的分解及Sialon和ZrN的生成；在本实验条件下,制备ZrN-Sialon结合刚玉复合材料的适宜温度为1500℃。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 锆英石及其应用现状
• 1.2.1 锆英石简介
• 1.2.2 锆英石的利用现状
• 1.3 SiC的研究概况
• 1.3.1 SiC的结构与性能
• 1.3.2 SiC粉体的制备技术
• 1.3.3 SiC的应用
• 3N₄的研究概况'>1.4 Si₃N₄的研究概况
• 3N₄的结构与性能'>1.4.1 Si₃N₄的结构与性能
• 3N₄粉体的制备技术'>1.4.2 Si₃N₄粉体的制备技术
• 3N₄的应用'>1.4.3 Si₃N₄的应用
• 1.5 Sialon结合刚玉复合材料的研究概况
• 1.5.1 Sialon结合刚玉复合材料的研究进展
• 1.5.2 Sialon结合刚玉复合材料的应用
• 2及其复合耐火材料'>1.6 ZrO₂及其复合耐火材料
• 2的结构与性能'>1.6.1 ZrO₂的结构与性能
• 2复合耐火材料中ZrO₂的作用'>1.6.2 ZrO₂复合耐火材料中ZrO₂的作用
• 2O₃-C质耐火材料用抗氧化添加剂的研究概况'>1.7 Al₂O₃-C质耐火材料用抗氧化添加剂的研究概况
• 1.7.1 抗氧化添加剂在耐火材料中的作用机理
• 1.7.2 抗氧化添加剂的研究现状
• 1.8 本课题的研究目的及主要研究内容
• 1.8.1 研究目的及意义
• 1.8.2 主要研究内容
• 第二章 反应体系的热力学分析
• 2.1 前言
• 2.2 C-O反应体系的热力学分析
• 2.3 Si-C-O反应体系的热力学分析
• 2.4 Zr-C-P反应体系的热力学分析
• 2.5 Zr-S i-C-O反应体系的热力学分析
• 2.6 Si-C-N-O反应体系的热力学分析
• 2.6.1 SiO（g）和CO（g）平衡分压对相稳定性的影响
• 2（g）和N₂（g）平衡分压对相稳定性的影响'>2.6.2 O₂（g）和N₂（g）平衡分压对相稳定性的影响
• 2.7 本章小结
• 2-SiC复合粉体'>第三章 碳热还原法制备ZrO₂-SiC复合粉体
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 主要实验设备
• 3.2.2 实验原料
• 3.2.3 试样的制备
• 3.2.4 试样的合成
• 3.2.5 性能检测及分析
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 加热温度对合成试样中SiC含量的影响
• 3.3.2 加热温度对合成试样相组成的影响
• 3.3.3 加热温度对合成试样显微结构的影响
• 2O₃对合成试样相组成的影响'>3.3.4 添加La₂O₃对合成试样相组成的影响
• 2O₃对合成试样显微结构的影响'>3.3.5 添加La₂O₃对合成试样显微结构的影响
• 2-SiC的生成过程及La₂O₃的催化作用分析'>3.3.6 ZrO₂-SiC的生成过程及La₂O₃的催化作用分析
• 3.4 本章小结
• 2O₃-C质耐火材料性能的影响'>第四章 添加剂对Al₂O₃-C质耐火材料性能的影响
• 4.1 前言
• 4.2 实验
• 4.2.1 主要实验设备
• 4.2.2 实验原料
• 4.2.3 试样的制备
• 4.2.4 试样的烧成
• 4.2.5 性能检测及分析
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.3.1 添加剂对试样体积密度和显气孔率的影响
• 4.3.2 添加剂对试样耐压强度的影响
• 4.3.3 添加剂对试样抗热震性能的影响
• 4.3.4 添加剂对试样抗氧化性能的影响
• 4.3.5 添加剂的抗热震机理分析
• 4.3.6 SiC与CO反应模型的建立
• 4.3.7 添加剂的抗氧化机理分析
• 4.4 本章小结
• 2O₃-ZrO₂-SiC-C系复合材料'>第五章 原位反应制备Al₂O₃-ZrO₂-SiC-C系复合材料
• 5.1 前言
• 5.2 实验
• 5.2.1 主要实验设备
• 5.2.2 实验原料
• 5.2.3 试样的制备
• 5.2.4 试样的合成
• 5.2.5 性能检测及分析
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 复合材料的制备热力学
• 5.3.2 复合材料的相组成
• 5.3.3 复合材料的显微结构
• 5.3.4 复合材料的显气孔率和体积密度
• 5.3.5 复合材料的质量变化
• 5.4 本章小结
• 3N₄复合粉体'>第六章 碳热还原氮化法制备ZrN-Si₃N₄复合粉体
• 6.1 前言
• 6.2 实验
• 6.2.1 主要实验设备
• 6.2.2 实验原料
• 6.2.3 试样的制备
• 6.2.4 试样的合成
• 6.2.5 性能检测及分析
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.3.1 原料组成对合成试样相组成的影响
• 6.3.2 原料组成对合成试样显微结构的影响
• 6.3.3 加热温度对合成试样相组成的影响
• 6.3.4 加热温度对合成试样显微结构的影响
• 6.3.5 保温时间对合成试样相组成的影响
• 6.3.6 保温时间对合成试样显微结构的影响
• 3N₄的生成过程分析'>6.3.7 ZrN-Si₃N₄的生成过程分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 碳热还原氮化法制备ZrN-Sialon结合刚玉复合材料
• 7.1 前言
• 7.2 实验
• 7.2.1 主要实验设备
• 7.2.2 实验原料
• 7.2.3 试样的制备
• 7.2.4 试样的合成
• 7.2.5 性能检测及分析
• 7.3 实验结果与讨论
• 7.3.1 复合材料的制备热力学
• 7.3.2 复合材料的相组成
• 7.3.3 复合材料的显微结构
• 7.3.4 复合材料的显气孔率和体积密度
• 7.3.5 ZrN-Sialon结合刚玉复合材料的生成过程分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 致谢
• 论文包含图表公式及文献
• 作者简介