提升方鎂石—碳化硅—碳復合粉體內碳化硅合成效果的探索研究

徐華偉 楊政宏 張興華

摘 要 為了進一步優化低碳材料性能，通過優化鎂碳材料基質結構和優化內部石墨的保護，使材料使用壽命得以提升。本文在采用輕質氧化鎂、單質硅粉和鱗片石墨為原料成功制備出MgO-SiC-C復合粉體的基礎上，對提升內部原位合成SiC方面進行了一定的對比研究。結果表明：1）在促進復合粉體內抗氧化劑SiC的合成方面，合理地控制成型壓力有利于物質交換和SiC的合成。2）顯微結構顯示，添加劑CuS情況下，合成的原位SiC主要呈片層狀或團簇狀分布于石墨片周圍，分布相對均勻，利于對內部石墨進行抗氧化性能強化。

關鍵詞 MgO-SiC-C復合粉體；原位SiC；顯微結構

在低碳鎂碳磚低碳化發展過程中，出現了耐火材料熱導率下降、抗熱震穩定性變差的問題，已有不少研究從不同方面著手進行優化改進。有關于優化鎂碳質材料的基質方面，優化基質組成分布，進而改善低碳鎂碳磚抗渣滲透性能和抗熱震穩定性能的重要途徑之一，與此同時也優化了材料內部氣孔的尺寸和分布，影響了材料的導熱性能；也有從結合炭的結構方面、使用高效抗氧化劑及改善炭在基質中的分布，高度均勻分散的炭則能發揮更大的作用。

本文主要是基于實驗制備一種成分均勻的方鎂石-碳化硅-碳復合粉體，用作鎂碳材料的基質材料，以提高原料中石墨的抗氧化性能。本文主要從提高內部生成的包裹石墨的碳化硅物質方面進行試探研究，以期提高和改善內部碳化硅的合成效果。

1 試 驗

1.1 原料

本實驗所用主要原料有：輕質氧化鎂粉（粒度為180目，其中MgO含量≥96%，見表1）；單質硅粉（粒度為325目，其中Si含量≥98%）；鱗片石墨（粒度為200目，其中C含量≥97%）。

1.2 試樣制備與檢測

為了盡可能地促進試樣內的單質硅轉化為碳化硅，特設計原料內碳與硅含量的比值>2。嘗試不同試探性措施及方法，各試樣設計如表2所示。

注：正常混合工藝均為氧化鎂、單質硅和鱗片石墨按比例一起預混2h，對于A試樣則是先對單質硅和石墨單向預混1h，然后在添加定量的氧化鎂進行預混1h處理；A和C組均同B一樣是在200MPa壓力下成型。

試樣在規定壓力下壓制成Φ36mm×36mm的圓柱樣。然后在埋碳還原氣氛下進行1 600℃、3h的熱處理。

最后通過X射線物相分析和物相顯微結構分析對粉體內物相進行鑒定，同時使用化學分析和半定量分析對合成體內SiC的含量進行量化分析。

2 結果與討論

2.1 壓力對合成體內碳化硅合成的影響

通常情況下，成型壓力的提高有利于提高原料之間的接觸程度，繼而影響內部化學反應的速率和程度。故設計試樣B和BY進行成型壓力的改變對MgO-SiC-C粉體中碳化硅生成的影響探討。其熱處理后的XRD圖譜如圖1所示。

對比圖1中a、b兩圖中各物相，BY試樣內的鎂橄欖石相較B試樣少，同時試樣內的其他物相衍射峰也均比B試樣突出，通過化學分析測試顯示BY試樣內原位合成的碳化硅含量為10.52%，高出B試樣內原位合成碳化硅含量（化學分析結果為9.34%）1%左右。這說明在150MPa的成型壓力下，試樣內各物質結合略疏松，增大了物質之間的傳輸，更為體系內硅液相與C之間的接觸提供了更為便利的通道；同時這些通道也使體系內氣體的流動更為便利，增大了CO與Si之間的接觸反應，同時也利于SiC合成過程中產生的CO氣體的排出，促進SiC的合成。

2.2 混合工藝對合成體內碳化硅合成的影響

生產或試驗中，時常會有工藝決定質量的情況。參照這種想法，設計通過改變單質硅和鱗片石墨之間的接觸概率來促進碳化硅的合成。改變混合工藝后的試樣A的XRD衍射圖譜結果如圖2所示。

從圖2來看，試樣中鎂橄欖石相的含量相對較高。與上面實驗分析中B試樣的XRD圖譜進行比較可知，各相的衍射峰強度相差不大。同時對比化學分析結果，A試樣內原位合成的碳化硅含量為8.95%，與B組試樣碳化硅含量（9.34%）相差不大。這說明優先混合單質硅和石墨并沒有直接地增加硅和碳之間的接觸反應，即在選定了合適的混合工藝的前提下，保障了物料的混合均勻性，物料的混合順序將不再是影響因素。

2.3 CuS對合成體內碳化硅合成的影響

在熱處理過程中，添加一定的催化劑物質，可以增強物質之間的反應或者降低物質之間反應的起始溫度，資料顯示硅的熔點為1 412℃，根據Si-Cu二元平衡相圖分析，單質硅和Cu之間的最低液相生成溫度為800℃。在熱處理過程中，物質內將會形成Si-Cu富金屬液相量，在硅碳之間的反應中作為一種催化劑，催化試樣內Si和C原子的擴散，使參與反應的硅和碳分散更加均勻并盡可能聚集。在試樣C8內添加催化劑CuS后的XRD分析結果見圖3所示。

從圖3可以看出，在添加CuS后試樣內石墨含量頗高，由化學分析測得C8內原位合成的SiC含量為10.37%，較B組（不含CuS）高出1%左右。說明CuS的引入在一定程度上增強了試樣內的硅碳還原反應，催化劑的引入降低了硅的熔點，促進了單質硅和碳源的液-固甚至液-氣方向的反應。

再次通過SEM對試樣C8進行內部物相觀察，如圖4所示?？梢钥闯鲈嚇觾壬傻腟iC主要包裹在石墨的表面，呈片層狀和島狀，在試樣內密集分布。其中最為明顯和重要的是在石墨片表面密集分布，原位合成量大。這說明催化劑CuS促進了內部硅和碳之間的分散和接觸，使原本分離的硅液化在石墨片周圍鋪展開來與石墨反應，最終大量反應產物匯集在一起而形成薄層狀分布的碳化硅。

3 結 論

（1）在促進復合粉體內SiC的合成方面，合理地控制成型壓力有利于內部物質通道的形成進而促進物質傳輸，促進物質交換和SiC的合成。

（2）顯微結構顯示，添加劑CuS利于方鎂石-硅-碳復合粉體內SiC的合成，原位合成SiC主要呈片層狀或團簇狀分布于石墨片周圍，分布相對均勻，利于對內部石墨進行抗氧化功能強化。

參 考 文 獻

[1]王長明，何見林，顧華志等.顆粒級配對低碳鎂碳磚性能的影響[J].鋼鐵研究.2010，38（1）.4-7

[2]梁訓欲.不同碳含量及鎂砂成分對鎂碳磚微觀結構的影響[J].國外耐火材料.1992，4（1）：53-57

[3]陳肇友.化學熱力學與耐火材料[M].北京：冶金工業出版社.2005.

[4]梁峰，李楠.催化劑及煅燒溫度對合成SiC纖維的影響[J].耐火材料.2009，43（290）：359-362

[5]Yaowu Wei，Nan Li，etal. Carbon pickup of interstitial free steel from low carbon content MgO-SiC refractories. STEEL GRIPS， 4（2006） No.4，279-282

[6]曾存峰，田守信，徐延慶.國外低碳鎂炭耐火材料的研究進展[J].河南冶金.2006，14（3）：3-5，38