碳化硅加入量对硅莫砖性能的影响
发布日期： 2019-07-25 16:08:03 阅读量（640） 作者：本实验继续沿用前面的骨料和基质质量比为60:40，保持骨料配比不变，通过改变碳化硅细粉和矾土细粉的加入量来探究碳化硅加入量的变化对矾土-碳化硅材料性能的影响。
其中高铝矾土采用5~3mm、3~1mm、1~0mm和≤0.074mm四级粒度级配，碳化硅和广西白泥取用的粒度分别为≤0.106mm和≤0.074mm，各原料比例如表1所示，用亚硫酸纸浆废液作为结合剂，纸浆比重为1.15g/cm3。试样在65t油压机下以150MPa的压力压制成25mm×25mm×150mm和Φ36mm×50mm两种尺寸的试样，随后将各试样在干燥箱中于110℃干燥24h，并在1410℃×4h电炉中烧成，然后对烧后试样进行性能检测。
表1试样配比
1、常规物理性能
(1)线变化率、体积密度及显气孔率
图1为试样的线变化率、体积密度及显气孔率的变化。从图1a中可看出随着碳化硅加入量的增加，试样线变化率呈逐渐减小的趋势。碳化硅加入量在7%时线变化率最大，为0.29%，当碳化硅加入量增加到19%时试样线变化率最小，为0.24%，但从数据变化幅度来看，碳化硅加入量的变化对线变化率影响不明显。从图1b可看出随着碳化硅加入量的增加试样显气孔率逐渐增加，体积密度则变化不明显。碳化硅加入量在7%时试样显气孔率最低，为17.6%;当加入量增加到19%时试样显气孔率最高，为18.6%。碳化硅加入量在7%~15%时试样体积密度无变化，为2.56g/cm3;当加入量增加到19%时，降为2.54g/cm3。
碳化硅为非氧化物材料，其晶体结合方式为共价键结合，区别于常见的离子键结合的铝硅系材料，在烧结过程中不会发生铝硅系材料常见的离子的扩散和转移，因此该类材料不存在通常我们所说的烧结性。因此，当碳化硅加入量增加到一定程度时，就会引起材料烧结性变差，进而使试样表现为显气孔率逐渐升高，体积密度也略有下降，而线变化率的降低可能是由于试样烧结变差削弱了莫来石化的膨胀效应。
(2)常温力学性能
试样的耐压强度及常温抗折强度则如图2所示。从图2a中可看出，碳化硅加入量增加时，试样耐压强度呈现为先降低后增加的趋势。加入量为7%时耐压强度最大，为102.9MPa，加入量在11%时耐压强度最小72.2MPa，但当碳化硅加入量继续增加到19%时，耐压强度又增加到91.7MPa。碳化硅加入量由7%增加到11%时耐压强度的减小应该与试样中矾土加入量减少导致的烧后刚玉相含量降低相关，而之后加入量由11%增加到19%时试样耐压强度又出现增大则可能由于随着碳化硅细粉的增多，部分碳化硅填充了莫来石-刚玉骨架结构，起到了提高试样常温强度的作用。
而从图2b中可看出，随着碳化硅加入量增加，试样抗折强度逐渐降低。当碳化硅加入量为7%时试样常温抗折强度最大，为11.8MPa，当碳化硅加入量持续增加到19%时试样常温抗折强度降为最低，为10.0MPa，从数据来看抗折强度变化不大。常温抗折强度的减小则应该主要由于碳化硅加入量的增加致使试样烧结性变差、气孔率增加所致。
图2试样的耐压强度及常温抗折强度
2、高温物理性能
(1)高温力学性能
随着碳化硅加入量的增加，试样1100℃热态抗折强度及荷重软化温度变化如图3所示。从图3a可看出当碳化硅加入量逐渐增加时，试样热态抗折强度呈先增加后降低再增加的趋势。当加入量在11%时试样热态抗折强度达到最大，为24.1MPa，加入量为15%时，热态抗折强度最低，为12.8MPa，但也可看出，试样中碳化硅加入量在7%、11%及19%时试样热态抗折强度均较高，只有加入量在15%时，试样高温抗折强度出现骤降。图3b则显示了试样荷重软化温度的变化。碳化硅加入量逐渐增加时，试样荷重软化温度表现为先小幅增加后逐渐降低。碳化硅加入量为11%时试样荷重软化温度最高，为1574.3℃(T0.6)，加入量为19%时试样荷重软化温度最低，为1533.5℃(T0.6)。
试样高温力学性能的变化应主要与刚玉、莫来石和碳化硅晶相含量的变化有关，在一定范围内增加碳化硅的加入量，必然会减少矾土加入量而使刚玉相含量降低，再加上碳化硅加入量增加会使材料的烧结性变差，因此可看到试样高温力学强度呈降低的趋势。碳化硅加入量在由7%到11%时，试样热态抗折强度和荷重软化温度出现的轻微增加，则可能因为试样中刚玉、莫来石含量达到了一个最佳的比例，莫来石形成了骨架结构而粒状刚玉填充于其空隙中，起到了类似于纤维和颗粒增强增韧的作用。碳化硅加入量在19%时高温抗折强度出现增大，则有可能因为碳化硅细粉增多，对试样中的莫来石-刚玉骨架结构起到了填充作用，提高了试样的热态抗折强度。
(2) 热震稳定性
图4为试样在1100℃三次水冷热震试验后的残余抗折强度及强度保持率;从图中可看出，随着碳化硅加入量的增加，试样残余抗折强度和残余抗折强度保持率均逐渐升高。当碳化硅加入量在7%时试样的残余抗折强度及强度保持率最低，分别为3.6MPa和30.5%;当加入量递增到19%时试样的残余抗折强度及强度保持率达到最大，残余抗折强度为5.9MPa，残余强度保持率为59.0%。
碳化硅热导率很高，500℃时为64.4W/(m·k)，到875℃时为41.4W/(m·k)，根据热震损伤理论可知，较高的热导率会及时的将材料内部的热量传递出去，避免过多热应力的产生对材料结构造成损坏。因此，可看到本实验中，碳化硅加入量逐渐增加，试样的热震稳定性逐步得到改善。
2、物相组成及显微结构分析
图5为各试样的XRD衍射图。从图中可看到，试样中，主要含有莫来石、刚玉和碳化硅三种主晶相。从衍射峰强度可大致分辨出各试样中莫来石含量最高，刚玉含量次之，碳化硅含量最小。但也可看到各试样XRD衍射角在22°附近，均出现一个方石英衍射峰。
图5试样的XRD衍射图
碳化硅加入量从7%递增到19%时，可看到试样中方石英和碳化硅衍射峰强度均出现一定程度的增强，而刚玉和莫来石相衍射峰强度则看不出明显变化。方石英含量的增加应与碳化硅加入量增多有关，部分碳化硅在试样烧成过程会被氧化形成方石英，这应是碳化硅加入量19%时方石英衍射峰强度增强的原因。
碳化硅加入量在19%时试样的显微结构照片如图6所示。从图中可看出，试样中玻璃相较少，气孔中可看到大量交织成网络结构的莫来石晶体，同时试样中气孔明显较大。显微结构的这些特点也间接说明了碳化硅加入量过大会导致材料烧结性变差这一特点，同样其致密的网络状莫来石结构也是其热震稳定性优异的另一个重要原因。
图6碳化硅加入量为19%时试样显微结构照片
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