提升方镁石—碳化硅—碳复合粉体内碳化硅合成效果的探索研究

徐华伟 杨政宏 张兴华

摘 要 为了进一步优化低碳材料性能，通过优化镁碳材料基质结构和优化内部石墨的保护，使材料使用寿命得以提升。本文在采用轻质氧化镁、单质硅粉和鳞片石墨为原料成功制备出MgO-SiC-C复合粉体的基础上，对提升内部原位合成SiC方面进行了一定的对比研究。结果表明：1）在促进复合粉体内抗氧化剂SiC的合成方面，合理地控制成型压力有利于物质交换和SiC的合成。2）显微结构显示，添加剂CuS情况下，合成的原位SiC主要呈片层状或团簇状分布于石墨片周围，分布相对均匀，利于对内部石墨进行抗氧化性能强化。

关键词 MgO-SiC-C复合粉体；原位SiC；显微结构

在低碳镁碳砖低碳化发展过程中，出现了耐火材料热导率下降、抗热震稳定性变差的问题，已有不少研究从不同方面着手进行优化改进。有关于优化镁碳质材料的基质方面，优化基质组成分布，进而改善低碳镁碳砖抗渣渗透性能和抗热震稳定性能的重要途径之一，与此同时也优化了材料内部气孔的尺寸和分布，影响了材料的导热性能；也有从结合炭的结构方面、使用高效抗氧化剂及改善炭在基质中的分布，高度均匀分散的炭则能发挥更大的作用。

本文主要是基于实验制备一种成分均匀的方镁石-碳化硅-碳复合粉体，用作镁碳材料的基质材料，以提高原料中石墨的抗氧化性能。本文主要从提高内部生成的包裹石墨的碳化硅物质方面进行试探研究，以期提高和改善内部碳化硅的合成效果。

1 试 验

1.1 原料

本实验所用主要原料有：轻质氧化镁粉（粒度为180目，其中MgO含量≥96%，见表1）；单质硅粉（粒度为325目，其中Si含量≥98%）；鳞片石墨（粒度为200目，其中C含量≥97%）。

1.2 试样制备与检测

为了尽可能地促进试样内的单质硅转化为碳化硅，特设计原料内碳与硅含量的比值>2。尝试不同试探性措施及方法，各试样设计如表2所示。

注：正常混合工艺均为氧化镁、单质硅和鳞片石墨按比例一起预混2h，对于A试样则是先对单质硅和石墨单向预混1h，然后在添加定量的氧化镁进行预混1h处理；A和C组均同B一样是在200MPa压力下成型。

试样在规定压力下压制成Φ36mm×36mm的圆柱样。然后在埋碳还原气氛下进行1 600℃、3h的热处理。

最后通过X射线物相分析和物相显微结构分析对粉體内物相进行鉴定，同时使用化学分析和半定量分析对合成体内SiC的含量进行量化分析。

2 结果与讨论

2.1 压力对合成体内碳化硅合成的影响

通常情况下，成型压力的提高有利于提高原料之间的接触程度，继而影响内部化学反应的速率和程度。故设计试样B和BY进行成型压力的改变对MgO-SiC-C粉体中碳化硅生成的影响探讨。其热处理后的XRD图谱如图1所示。

对比图1中a、b两图中各物相，BY试样内的镁橄榄石相较B试样少，同时试样内的其他物相衍射峰也均比B试样突出，通过化学分析测试显示BY试样内原位合成的碳化硅含量为10.52%，高出B试样内原位合成碳化硅含量（化学分析结果为9.34%）1%左右。这说明在150MPa的成型压力下，试样内各物质结合略疏松，增大了物质之间的传输，更为体系内硅液相与C之间的接触提供了更为便利的通道；同时这些通道也使体系内气体的流动更为便利，增大了CO与Si之间的接触反应，同时也利于SiC合成过程中产生的CO气体的排出，促进SiC的合成。

2.2 混合工艺对合成体内碳化硅合成的影响

生产或试验中，时常会有工艺决定质量的情况。参照这种想法，设计通过改变单质硅和鳞片石墨之间的接触概率来促进碳化硅的合成。改变混合工艺后的试样A的XRD衍射图谱结果如图2所示。

从图2来看，试样中镁橄榄石相的含量相对较高。与上面实验分析中B试样的XRD图谱进行比较可知，各相的衍射峰强度相差不大。同时对比化学分析结果，A试样内原位合成的碳化硅含量为8.95%，与B组试样碳化硅含量（9.34%）相差不大。这说明优先混合单质硅和石墨并没有直接地增加硅和碳之间的接触反应，即在选定了合适的混合工艺的前提下，保障了物料的混合均匀性，物料的混合顺序将不再是影响因素。

2.3 CuS对合成体内碳化硅合成的影响

在热处理过程中，添加一定的催化剂物质，可以增强物质之间的反应或者降低物质之间反应的起始温度，资料显示硅的熔点为1 412℃，根据Si-Cu二元平衡相图分析，单质硅和Cu之间的最低液相生成温度为800℃。在热处理过程中，物质内将会形成Si-Cu富金属液相量，在硅碳之间的反应中作为一种催化剂，催化试样内Si和C原子的扩散，使参与反应的硅和碳分散更加均匀并尽可能聚集。在试样C8内添加催化剂CuS后的XRD分析结果见图3所示。

从图3可以看出，在添加CuS后试样内石墨含量颇高，由化学分析测得C8内原位合成的SiC含量为10.37%，较B组（不含CuS）高出1%左右。说明CuS的引入在一定程度上增强了试样内的硅碳还原反应，催化剂的引入降低了硅的熔点，促进了单质硅和碳源的液-固甚至液-气方向的反应。

再次通过SEM对试样C8进行内部物相观察，如图4所示。可以看出试样内生成的SiC主要包裹在石墨的表面，呈片层状和岛状，在试样内密集分布。其中最为明显和重要的是在石墨片表面密集分布，原位合成量大。这说明催化剂CuS促进了内部硅和碳之间的分散和接触，使原本分离的硅液化在石墨片周围铺展开来与石墨反应，最终大量反应产物汇集在一起而形成薄层状分布的碳化硅。

3 结 论

（1）在促进复合粉体内SiC的合成方面，合理地控制成型压力有利于内部物质通道的形成进而促进物质传输，促进物质交换和SiC的合成。

（2）显微结构显示，添加剂CuS利于方镁石-硅-碳复合粉体内SiC的合成，原位合成SiC主要呈片层状或团簇状分布于石墨片周围，分布相对均匀，利于对内部石墨进行抗氧化功能强化。

参 考 文 献

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