高温应力扰动下Al2O3-Si-C材料物相组成和显微结构演变研究

作     者：刘显刚 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘新红

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Al2O3-Si-C材料 应力扰动 莫来石 SiC 物相组成 显微结构 

摘      要：Al2O3-C材料因具有优良的抗热震性和抗侵蚀性而被广泛应用于冶金工业。在Al2O3-C材料中引入Si使其高温下生成SiC晶须可以弥补低碳材料降碳后抗热震性和抗侵蚀性差的问题。而SiC晶须的生成生长不仅与温度、气氛、催化剂等有关,可能应力也会对其产生影响。Al2O3-C材料在高温使用时会经受频繁的温度急变、物料的挤压,因此会受到不同应力的作用,应力易使材料产生微裂纹,从而改变材料内部气相浓度,可能会对SiC晶须的成核、生长等产生影响,进而影响材料的性能,截至目前还未见到有关应力对Al2O3-C材料中相关化学反应的影响研究。因此,本工作研究低碳Al2O3-C材料中Si在无应力和应力（热应力、压应力和热-压耦合应力）扰动下的反应规律及材料物相组成和显微结构演变,期望为低碳材料的应用提供理论依据,研究结果如下。无外加应力下,1200℃烧后试样脱碳层的Si反应生成SiO2,部分SiO2与Al2O3反应生成少量粒状的莫来石,并在脱碳层形成保护性玻璃膜。试样未脱碳层已有SiC晶须生成,SiC晶须主要通过气-固（VS）机制生成。随温度升高,试样中莫来石生成量增加、并发育长大成针棒状。未脱碳层Si的相对含量随温度升高而降低,且在1500℃下反应完全。而SiC的相对含量随温度升高而增加,1500℃下增至12%,但随温度升高SiC晶须数量有所降低,有SiC颗粒生成,因为随温度升高试样表面生成更多玻璃膜,阻碍O2进入试样内部,致使SiO（g）、CO（g）的浓度降低,SiC的生成除VS机制外,还有Si（s,l）与C（s）反应的固-固（SS）和液-固（LS）机制。热应力对Al2O3-C材料的组成和结构有明显影响。在热应力扰动下,1200℃烧后试样脱碳层中除生成粒状莫来石外、还有细小莫来石晶须生成。这是因为在热应力扰动下,试样表面产生了微裂纹,脱碳层中的Si与O2接触机会增加,SiO2生成量增加,有利于莫来石的生成和发育,且随温度升高莫来石发育长大。试样未脱碳层中SiC生成量随温度升高而增加,SiC晶须数量比无外加应力下增加,在材料中分布较广,并形成交织结构。1400～1500℃烧后试样未脱碳层中有微量O’-SiAlON生成,随热应力扰动次数增加,O’-SiAlON峰的强度略有增加。因为通过微裂纹进入试样内部的空气增加,内部的O2与C和Si反应生成CO和SiO,使试样内部CO、SiO和N2浓度增加,有利于SiC晶须和O’-SiAlON生成。但1500℃热应力扰动下,试样中增加较多微裂纹,可能使CO和SiO浓度过大,有较多SiC颗粒生成。压应力对Al2O3-C材料的组成和结构有一定影响。0.2 MPa压应力扰动下,1200℃烧后试样脱碳层中生成粒状和晶须状莫来石,且莫来石随温度升高生成量增加、发育长大。试样未脱碳层中的SiC生成量随温度升高而增加,但1500℃烧后仍残留微量Si,可能因为随温度升高试样表面生成更多玻璃膜,阻碍O2进入试样内部,且试样上下两端被压头封住,也降低了氧气进入试样的量,减缓了 Si的反应。但1400℃下随压应力增加,试样脱碳层中莫来石生成量增加,试样未脱碳层中Si的反应程度增加,试样中SiC晶须生成量增加;因为压应力增加致使试样产生微裂纹,试样中气相浓度增加。热-压应耦合力对Al2O3-C材料的组成和结构影响最大。热-压耦合应力促进了试样脱碳层中的莫来石和试样未脱碳层中的SiC晶须及O’-SiAlON的生成生长,其影响机理与单一热应力扰动下相同。但热-压耦合应力扰动下,1300℃烧后试样中即出现微弱的O’-SiAlON峰,比热应力扰动下生成温度低,且O’-SiAlON生成量随温度升高而有所增加。因为热-压耦合应力下试样产生较多微裂纹、且微裂纹宽化,试样内部SiO、CO和N2的浓度增加,有利于SiC晶须和O’-SiAlON的生成。