不同气氛下C-Si系复合材料的制备机理及性能

论文摘要

随着硅钢生产的发展,碳质套管和石英套管在连续退火炉的炉底辊道上的应用已无法满足生产的需求。针对这个问题,本文研究以工业碳粉和硅粉为原料制备复合套管,以弥补碳套管和石英套管的不足。以炭黑和单质硅为原料压制成试样,分别在还原（埋碳）和氮气两种气氛下高温烧结,获得不同温度点合成样品。采用XRD分析技术研究试样的物相演变过程,从而对C-Si系原料在埋碳条件和氮气气氛反应过程中的物相变化和反应动力学机制进行了研究;并在此基本上,研究复合材料的性能及结瘤机制。试验结果表明:在埋碳条件下,试样中新生成的物相为SiC、石英相和方石英相,几乎没有Si3N4和Si2N2O相。其反应过程是:单质硅与O2生成SiO2,与C反应生成SiC,与CO反应生成SiC和SiO2;温度高于1450℃时,SiO2又会与试样中剩余的C反应生成SiC。整个过程都伴随着方石英化过程。在氮气气氛下,合成试样中最终的物相为SiC、α-Si3N4和β-Si3N4,硅含量高时还存在Si2N2O相,石英相和方石英相作为中间产物出现。氮化硅不仅可由单质硅氮化生成,还能由SiO2和Si2N2O与C还原氮化生成。α-Si3N4先于β-Si3N4生成,且温度升高会向β相转化。温度高于1500℃时,Si3N4会与残余的C反应生成SiC。合成温度和原料配比是影响C-Si系原料合成产物的重要动力学因素。在埋碳条件和氮气气氛下制备的复合材料都具有良好的抗结瘤性能;埋碳条件下制备的复合材料具有优良的耐压强度,且普遍优于氮气气氛下制备的复合材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 C-SI-N 三元系统
• 1.2.1 碳化硅
• 1.2.1.1 碳化硅的晶体结构
• 1.2.1.2 碳化硅的物理和化学性质
• 1.2.1.3 碳化硅的制备方法
• 1.2.2 氮化硅
• 1.2.2.1 氮化硅的晶体结构
• 1.2.2.2 氮化硅粉末的合成
• 1.2.2.3 氮化硅陶瓷的性能
• 1.3 本课题研究目的和内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 实验原料及设备
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 炭黑
• 2.1.2 硅
• 2.1.3 焦炭
• 2.1.4 结合剂
• 2.1.5 分散剂
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 烧成设备
• 2.2.2 分析设备
• 2.2.2.1 X 射线衍射分析仪（XRD）
• 2.2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.3 其它设备
• 第三章 埋碳条件下制备C-SI 系复合材料
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 原料配比
• 3.2.2 实验过程
• 3.3 物相分析
• 3.3.1 试样A1、A2
• 3.3.2 试样A3、A4
• 3.3.3 试样A5、A6、A7、A8
• 3.3.4 试样A9
• 3.3.5 埋碳条件下的物相变化
• 3.4 反应过程分析
• 3.5 反应机理
• 3.6 合成试样的SEM 分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 氮气气氛下制备C-SI 系复合材料
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 原料配比
• 4.2.2 实验过程
• 4.3 物相分析
• 4.3.1 试样X1、X2
• 4.3.2 试样X3、X4
• 4.3.3 试样X5
• 4.3.4 试样X6、X7、X8
• 4.3.5 试样X9
• 4.3.6 氮气气氛下的物相变化
• 4.4 反应过程分析
• 4.5 反应机理
• 4.6 合成试样的SEM 分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 C-SI 系复合材料的性能及结瘤研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 原料配比
• 5.2.2 实验过程
• 5.3 XRD 分析
• 5.3.1 埋碳条件
• 5.3.2 氮气气氛
• 5.4 性能研究
• 5.4.1 气孔率与硅含量的关系
• 5.4.2 体积密度与硅含量的关系
• 5.4.3 耐压强度与硅含量的关系
• 5.4.4 性能研究小结
• 5.5 结瘤研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结论
• 参考文献
• 致谢