高温氮化制备氮化物-氧化物-碳复合材料及成键方式的研究

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含碳耐火材料(Al2O3-C和MgO-C耐火材料)具有良好的抗热震稳定性和抗渣性能,被广泛应用在炼钢等高温领域,然而含碳耐火材料内部无法形成有效的的化学结合,影响材料的力学性能。本文采用高温原位氮化反应制备性能优异的Sialon-Al2O3-C(SAC)和Si3N4-MgO-C(SMC)复合材料,实现了氧化物与氮化物、氮化物和石墨之间的界面结合,并研究了材料内部不同相界面间的成键方式。首先研究了不同硅粉加入量对SAC和SMC材料的物相组成、氮化物形貌及复合材料性能的影响。其次,研究了SAC和SMC材料内部氧化物与氮化物、氮化物和石墨之间的界面结合,并分析基质对SAC和SMC材料界面结合的影响。最后,通过X射线光电子能谱(XPS)研究了SAC和SMC材料内部不同相界面间的成键方式,为氮化物-氧化物-碳复合耐火材料内部的成键提供理论基础。  本研究主要内容包括:⑴不同的硅粉加入量影响SAC和SMC材料的性能。当硅粉含量为10wt%时,SAC材料中β-Sialon的晶粒尺寸最大,材料的耐压强度较高,整体性能较好。在SMC材料中,随着硅粉加入量的增加,β-Si3N4的晶粒尺寸呈现先增大后降低的趋势。当硅粉含量为16wt%时,材料的耐压强度较高,整体性能较好。⑵采用TEM和HRTEM观察制备的SAC和SMC材料的界面结合。SAC材料内部可以形成β-Sialon和Al2O3、β-Sialon和石墨的界面结合,SMC材料中可以形成β-Si3N4和MgO和β-Si3N4和石墨的界面结合。另外,基质组成影响材料内部的界面结合。⑶运用XPS分析制备的SAC材料内部形成的结合键有Al-O键、Al-Al键、Si-Si键、Si-N键、Si-O键、C-C键、C-Si键、N-Si键、N-O键、O-O键、O-Al键和O-Si键。SMC材料内部形成的结合键有Mg-O键、Mg-Si键、Si-Si键、Si-C键、Si-N键、Si-O键、C-C键、C-Si键、C-N键、N-Si键、N-N键、O-O键、O-Mg键和O-Si键。基质组成对材料内部的成键影响不大。
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