摘要:氮化硅結合碳化硅磚(zhuan)的(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)廣泛地采用(yong)反應燒結(jie)法，即單質硅粉(fen)和碳(tan)化(hua)(hua)硅混合后(hou)在氮(dan)氣氣氛下燒結(jie)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)氮(dan)化(hua)(hua)硅，在生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)過程中(zhong)，成型體積密(mi)度(du)對氮(dan)化(hua)(hua)反應和氮(dan)化(hua)(hua)后(hou)的(de)(de)磚(zhuan)性(xing)(xing)能(neng)指(zhi)標有著重要的(de)(de)影響。本(ben)文主要研究了成型體積密(mi)度(du)對氮(dan)化(hua)(hua)硅結(jie)合碳(tan)化(hua)(hua)硅磚(zhuan)的(de)(de)物理性(xing)(xing)能(neng)、化(hua)(hua)學成分以及抗電解質侵蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)影響。結(jie)果表明:試樣物理性(xing)(xing)能(neng)和抗電解質侵蝕(shi)性(xing)(xing)能(neng)隨體積密(mi)度(du)的(de)(de)增加而升(sheng)高，而試樣中(zhong)氮(dan)化(hua)(hua)硅含(han)量則呈(cheng)現下降趨勢(shi)。

1、前言

碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)材(cai)料(liao)特(te)別是氮化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)結合碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)材(cai)料(liao)以(yi)其優異的(de)(de)(de)高(gao)溫性(xing)能(neng)(neng)、高(gao)的(de)(de)(de)熱導率、高(gao)的(de)(de)(de)耐磨性(xing)能(neng)(neng)、高(gao)電(dian)(dian)阻率、良(liang)好的(de)(de)(de)抗(kang)(kang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學侵(qin)蝕(shi)性(xing)能(neng)(neng)和抗(kang)(kang)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)性(xing)能(neng)(neng)等特(te)性(xing)，而逐(zhu)漸成(cheng)為鋁電(dian)(dian)解(jie)(jie)槽側(ce)墻(qiang)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)首選材(cai)料(liao)。氮化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)結合碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)磚的(de)(de)(de)生產廣泛地(di)采用反應(ying)燒結法，即單質硅(gui)(gui)粉和碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)混(hun)合后在氮氣(qi)(qi)氣(qi)(qi)氛下(xia)燒結而生成(cheng)氮化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)，在氮化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)結合碳化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)(gui)磚的(de)(de)(de)生產過(guo)程中，成(cheng)型體積(ji)密度(du)如何設定才能(neng)(neng)達到物理(li)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學性(xing)能(neng)(neng)和抗(kang)(kang)電(dian)(dian)解(jie)(jie)質侵(qin)蝕(shi)的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)最佳，同時(shi)不會帶來生產的(de)(de)(de)難度(du)需要進行研(yan)究(jiu)。本文通過(guo)試驗對試樣在不同成(cheng)型體積(ji)密度(du)下(xia)的(de)(de)(de)物理(li)性(xing)能(neng)(neng)、化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學成(cheng)分以(yi)及抗(kang)(kang)電(dian)(dian)解(jie)(jie)質的(de)(de)(de)侵(qin)蝕(shi)性(xing)能(neng)(neng)進行了研(yan)究(jiu)。

2、實驗

2.1原料選擇

以(yi)97碳化硅顆粒為(wei)骨料(liao)，最大粒度為(wei)3mm，粉料(liao)部分為(wei)碳化硅粉和單質硅粉，原料(liao)的(de)化學成分如表1所列。

表(biao)1原(yuan)料化學成(cheng)分%

2.2混料

以(yi)碳化硅(gui)和單(dan)質硅(gui)粉作為主要(yao)原(yuan)料(liao)，在(zai)配方相同的(de)條(tiao)件(jian)下，使用濕(shi)碾(nian)機混(hun)(hun)料(liao)。混(hun)(hun)料(liao)過(guo)程如下:

骨(gu)料(liao)混(hun)練(lian)3min→加結合劑混(hun)練(lian)5min→加入混(hun)合好的粉料(liao)混(hun)練(lian)3min→再混(hun)練(lian)12min。

2.3成型

使(shi)用(yong)摩擦壓機成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)相同(tong)形狀的(de)產品，成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)體積密度(du)按照(zhao)2.51g/cm3、2.53g/cm3、2.57g/cm3和2.61g/cm3設計，由此計算(suan)出在不(bu)同(tong)的(de)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)體積密度(du)下的(de)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)重(zhong)量(liang)，在相同(tong)的(de)環(huan)境下成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)成(cheng)(cheng)B1~B4標(biao)磚試樣。

2.4烘干和燒成

在電烘箱(xiang)內(nei)在最(zui)高溫度(du)150℃烘干后，在氮化爐中進行1420℃氮化燒成。

2.5性能檢測

按照(zhao)GB/T2997-2015檢(jian)(jian)測(ce)試(shi)樣(yang)的(de)體積密度和顯氣(qi)孔率;按照(zhao)GB/T5072-2008檢(jian)(jian)測(ce)試(shi)樣(yang)的(de)常溫(wen)(wen)耐壓強度;按照(zhao)GB/T3001-2017檢(jian)(jian)測(ce)試(shi)樣(yang)的(de)常溫(wen)(wen)抗(kang)折(zhe)強度;按照(zhao)GB/T3002-2017檢(jian)(jian)測(ce)試(shi)樣(yang)的(de)高溫(wen)(wen)抗(kang)折(zhe)強度;按照(zhao)GB/T16555-2017檢(jian)(jian)測(ce)試(shi)樣(yang)的(de)化學成分。

使(shi)用掃(sao)描電子顯微(wei)鏡進(jin)行試(shi)樣(yang)微(wei)觀(guan)結(jie)構的分析(xi)。

抗(kang)電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)侵(qin)蝕(shi)試驗(yan)方法為:把試驗(yan)磚加工成10mm×10mm×110mm的長條，插入(ru)(ru)(ru)圓形的坩堝中，坩堝中按照比例(li)放入(ru)(ru)(ru)厚度30mm的金屬鋁粉，在鋁粉上面放入(ru)(ru)(ru)70mm厚的電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)粉(表2)，放入(ru)(ru)(ru)馬(ma)弗(fu)爐內充入(ru)(ru)(ru)氬(ya)氣保(bao)護，加熱(re)至955℃，保(bao)溫50h。測量侵(qin)蝕(shi)后的體積損(sun)失率:V損(sun)失=(V電(dian)(dian)解(jie)前-V電(dian)(dian)解(jie)后)/V電(dian)(dian)解(jie)前×100%。用掃描電(dian)(dian)鏡對(dui)侵(qin)蝕(shi)后的試樣進行微觀(guan)結構分析(xi)。

表2電解質的化學成分%

3、結果與分析

3.1體積密度對氮化硅結合碳化硅物理性能和化學成分的影響

如圖1~圖4所示，隨著(zhu)成型體(ti)(ti)積(ji)密度(du)的升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)，氮化燒成后的體(ti)(ti)積(ji)密度(du)逐漸(jian)升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)，氣孔率(lv)逐漸(jian)下降。強度(du)方(fang)面(mian)，常溫耐壓強度(du)逐漸(jian)升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)，隨成型體(ti)(ti)積(ji)密度(du)的升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)而升(sheng)(sheng)(sheng)高(gao)。常溫抗(kang)折強度(du)整(zheng)體(ti)(ti)呈現上升(sheng)(sheng)(sheng)趨勢，但在(zai)體(ti)(ti)積(ji)密度(du)為2.57g/cm3時達到最(zui)高(gao)。高(gao)溫抗(kang)折強度(du)雖有波動(dong)，但整(zheng)體(ti)(ti)在(zai)50MPa左右。

圖1B1~B4試(shi)樣的成型(xing)體(ti)積密度(du)和氮(dan)化燒(shao)成后體(ti)積密度(du)

圖2B1~B4試樣(yang)氮(dan)化燒(shao)成后(hou)的體積密度和顯氣孔(kong)率(lv)

圖3B1~B4試(shi)樣(yang)氮化(hua)燒成后(hou)的(de)常(chang)溫(wen)(wen)和高溫(wen)(wen)抗(kang)折強(qiang)度

圖4B1~B4試樣(yang)氮化燒成后的(de)常溫耐壓強度(du)

硅(gui)(gui)粉(fen)(fen)氮(dan)(dan)化(hua)反(fan)應(ying)為(wei)氣(qi)-固或(huo)氣(qi)-氣(qi)反(fan)應(ying)機(ji)理，氮(dan)(dan)氣(qi)擴散(san)至硅(gui)(gui)粉(fen)(fen)顆粒(li)表(biao)面才能發生氮(dan)(dan)化(hua)反(fan)應(ying)，在硅(gui)(gui)粉(fen)(fen)粒(li)度保(bao)持不變(bian)的情況(kuang)下，成型(xing)(xing)體積密度的高低對氮(dan)(dan)化(hua)反(fan)應(ying)過程有顯著(zhu)(zhu)的影響(xiang)。成型(xing)(xing)體積密度的提高會阻礙氮(dan)(dan)氣(qi)與硅(gui)(gui)粉(fen)(fen)的接觸，影響(xiang)氮(dan)(dan)氣(qi)向試樣(yang)內(nei)部擴散(san)，使反(fan)應(ying)速(su)率變(bian)慢，影響(xiang)氮(dan)(dan)化(hua)反(fan)應(ying)的程度。因(yin)此，隨(sui)著(zhu)(zhu)成型(xing)(xing)體積密度的升高，試樣(yang)中(zhong)Si3N4的含量則隨(sui)之下降，見圖5。

圖5B1~B4試樣(yang)的(de)SiC和Si3N4含量(liang)

3.2體積密度對氮化硅結合碳化硅抗侵蝕性能的影響

圖6示出了體積密(mi)度對試樣(yang)抗電解質侵蝕性能的(de)影響(xiang)。

試樣(yang)的(de)體(ti)積損失率隨著試樣(yang)體(ti)積密度(du)(du)(du)的(de)增加而(er)降低。試樣(yang)較(jiao)高的(de)氣孔(kong)(kong)率影響(xiang)著電(dian)(dian)解(jie)質的(de)滲(shen)透程度(du)(du)(du)，較(jiao)高的(de)氣孔(kong)(kong)率有利(li)于電(dian)(dian)解(jie)質熔液的(de)滲(shen)透，同時提供了更多的(de)物質交換通道以及更多的(de)反應(ying)界面，因此(ci)，體(ti)積密度(du)(du)(du)決定(ding)了抗電(dian)(dian)解(jie)質侵蝕性能(neng)的(de)優(you)劣。

圖6B1~B4試樣的抗電解質侵蝕的體積(ji)損失(shi)率

4、結論

試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)物理性能(neng)和(he)抗電解質侵蝕性能(neng)隨(sui)著成型(xing)體(ti)積密度的(de)(de)(de)(de)升高(gao)而升高(gao)，而磚的(de)(de)(de)(de)氮(dan)化(hua)硅含量卻呈下降(jiang)的(de)(de)(de)(de)趨勢。這是因(yin)為體(ti)積密度升高(gao)導(dao)致顯(xian)氣孔(kong)(kong)率(lv)(lv)降(jiang)低，試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)物理性能(neng)、抗電解質的(de)(de)(de)(de)侵蝕性能(neng)和(he)氮(dan)化(hua)的(de)(de)(de)(de)程度均與(yu)氣孔(kong)(kong)率(lv)(lv)有關，氣孔(kong)(kong)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)降(jiang)低使得試(shi)(shi)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)物理性能(neng)和(he)抗侵蝕能(neng)力增(zeng)強(qiang)，但也使得氮(dan)化(hua)燒成過(guo)程中(zhong)氮(dan)氣與(yu)磚內部壁的(de)(de)(de)(de)接(jie)觸更加困難，從(cong)而影響了氮(dan)化(hua)效果。

成(cheng)(cheng)型體積密度的(de)選擇(ze)需要(yao)(yao)在物理(li)性能指標、化學成(cheng)(cheng)分和抗侵(qin)蝕性能方面綜(zong)合考(kao)(kao)慮(lv)(lv)，同(tong)時要(yao)(yao)考(kao)(kao)慮(lv)(lv)是否(fou)滿足(zu)客(ke)戶的(de)要(yao)(yao)求，例如:國外某客(ke)戶的(de)要(yao)(yao)求是Si3N4含(han)量不(bu)低于24%、高溫抗折強(qiang)度不(bu)低于45MPa、顯氣(qi)孔率不(bu)大于16%。就本研究(jiu)而言，最佳的(de)成(cheng)(cheng)型體積密度為2.57g/cm3，既可滿足(zu)客(ke)戶的(de)要(yao)(yao)求，同(tong)時也(ye)可兼顧生(sheng)產的(de)便利性。