碳化硅加入粒度对硅莫砖性能都有哪些影响？
发布日期： 2019-12-18 10:19:36 阅读量（432） 作者：张红根据前面实验结果可得，当碳化硅加入量在19%时试样热震稳定性最佳，1100℃热态抗折强度也较高。因此，综合考虑材料性能，本部分实验选定碳化硅加入量为19%实验配方，在此基础上，探究碳化硅加入粒度对硅莫砖性能的影响。
实验骨料和基质质量比以及高铝矾土和广西白泥加入粒度同前文，选用碳化硅加入粒度为：3~1mm、1~0mm及≤0.106mm，分别取代相应粒级的矾土熟料，各原料配比如表4.2所示。实验用结合剂为亚硫酸纸浆废液，比重为1.15g/cm3，试样在65t油压机下以150MPa的压力制成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℃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
加入不同粒度碳化硅后，试样线变化率、体积密度及显气孔率的变化如图1所示。从图1a中可看出，随着碳化硅粒度的增大，试样线变化率呈逐渐增加的趋势。加入粒度≤0.106mm时试样烧后膨胀最小，为0.27%，加入粒度为3~1mm时试样烧后膨胀达到最大，为0.78%。
从图1b可看到，不同粒度碳化硅的加入对各试样体积密度无明显影响。碳化硅加入粒度为≤0.106mm及1~0mm时试样体积密度均为2.53g/cm3，加入粒度为3~1mm时降为2.50g/cm3。而各试样显气孔率则随着加入粒度的增加表现为先降低后增加，加入粒度为1~0mm时试样显气孔率最低，为17.7%，加入粒度为3~1mm时试样显气孔率最高，为19.5%。
图1 试样的线变化率、体积密度及显气孔率
实验中用碳化硅替代同粒级的矾土，碳化硅的加入从粒度≤0.106mm开始到3-1mm止，由于实验固定了基质和骨料质量比为40:60，当碳化硅加入粒度增大时，为了保证基质比例不变，矾土细粉的加入量相应增加。矾土细粉的增多就会增加基质中二次莫来石化，加上碳化硅粒度增大不利于烧结，因此，随着碳化硅加入粒度增大，试样烧后线变化和气孔率呈现增加的趋势，而体积密度则略微降低。
(2) 常温力学性能
试样耐压强度和常温抗折强度的变化如图2所示。从图a中可看出试样耐压强度随着碳化硅加入粒度的增大先减小后增大，加入粒度为1~0mm时耐压强度最小，为58.6MPa，加入粒度≤0.106mm时耐压强度最大，为83.3MPa。从图b则可看到，碳化硅加入粒度≤0.106mm及1~0mm时，常温抗折强度无明显差异，分别为10.1MPa和9.7MPa，当加入粒度增大到3~1mm时，常温抗折强度出现大幅度增加，为16.1MPa。
由于碳化硅加入粒度增大时，矾土骨料加入量就会减少，因此刚玉-莫来石复相结构的矾土骨料其高强度的性质就会被弱化，再加上碳化硅不易烧结，也会使骨料结合变差，因此可看到碳化硅加入粒度增大试样常温耐压强度出现降低的趋势。同样根据前面提到的，碳化硅加入粒度增大使矾土细粉加入量增大，矾土细粉的加入会促进烧结，改善基质结合强度，进而增大其常温抗折强度。
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
试样高温力学性能的变化如图3所示。从图a中可以看出，随着碳化硅加入粒度的增大，各试样1100℃热态抗折强度呈先降低后增加的趋势。当加入粒度≤0.106mm时所得试样热态抗折强度最大，为17.7MPa，当加入粒度在1~0mm时试样热态抗折强度最低，为12.5MPa。
试样热态抗折强度的变化应主要与基质的结合强度的变化相关。加入碳化硅的粒度增大时，烧结性变差，结合强度变弱，这可能造成其热态抗折强度变小，但也能看到碳化硅加入粒度为3~1mm时，试样高温抗折强度出现了一定程度的增大，这可能因为该试样中矾土细粉加入量较多，烧后细粉中的刚玉-莫来石成分对基质起到了一定的改善烧结作用，进而增大了热态抗折强度。
试样荷重软化温度的变化则如图b所示，其中，碳化硅加入粒度为≤0.106mm和1~0mm时，荷重软化温度分别为1533.5℃和1539.0℃，加入粒度为3~1mm时荷重软化温度为1503.7℃。即碳化硅加入粒度较小时，试样荷重软化温度变化不明显，但当加入粒度增大到3~1mm时，试样荷重软化温度明显降低。试样荷重软化温度的降低则应归咎与碳化硅粒度的增大，致使试样烧结性变差，减弱了各晶相间的结合强度。
图3 试样的热态抗折强度及荷重软化温度
(2)热震稳定性
随着碳化硅加入粒度的改变，试样残余抗折强度及强度保持率的变化如图4所示。从图中可看出，碳化硅加入粒度变大时，试样残余抗折强度以及残余强度保持率呈逐渐降低的趋势。碳化硅加入粒度≤0.106mm时试样残余抗折强度最大，为5.4MPa，强度保持率最高，为53.5%。当加入粒度增大到3~1mm时试样残余抗折强度及强度保持率降为最低，分别为4.3MPa和26.7%。
图4 试样的热残余抗折强度及强度保持率
众所周知，硅莫砖之所以具有较好的热震稳定性，得益于其组分高热导率碳化硅的加入。因此，当碳化硅加入量一定时，碳化硅在材料中的分布情况就将直接影响材料的热震稳定性。
加入不同粒度碳化硅试样烧后的截面图如图5，可看到随着碳化硅加入粒度变大时，试样剖面明显变得不太平整，试样断面的颜色逐渐变白，也就是说碳化硅的分布区间越来越小，当加入粒度在3~1mm时，可看到黑色的颗粒碳化硅零散的分布在试样中，碳化硅的分布已经不能连成片。显而易见，相同加入量的情况下，粒度越细，碳化硅分布就会越均匀，材料的导热性就会越好，热震稳定性可能就越好;而碳化硅加入粒度增大时，呈不连续(孤立)分布，致使碳化硅高热导率的作用被大幅削弱，也就使试样热震稳定性逐渐变差。
图5 试样的断面图
3、物相组成及显微结构分析
不同碳化硅加入粒度试样烧后XRD分析如图6所示，从图中可看出，试样主要物相一致，均为莫来石、刚玉和碳化硅，此外还有极少量的方石英。碳化硅加入粒度的变化对试样各晶相含量的影响不明显。
图6 试样的XRD衍射图
加入粒度为3~1mm碳化硅时试样的显微结构断面照片如图7所示。从图中可看到试样基质中出现较多的结合紧密的粒状刚玉，大量刚玉相的存在会在一定程度上提高材料的常温力学性能，但由于其热震稳定性较差，对试样的热震稳定性产生不利影响。
图7 碳化硅加入粒度为3~1mm时试样显微结构照片
结论
当改变碳化硅粒度时，随着加入的碳化硅粒度增大，试样线变化率和显气孔率逐渐增大，体积密度则维持相对稳定。由于原料中碳化硅和矾土是等量同粒级替代，实验又保持了基质和骨料质量比不变，因此碳化硅加入由细粉变为颗粒，会使加入的矾土骨料减少，细粉增加，而烧结首先是从基质内以及基质与颗粒边界进行的，所以，碳化硅加入粒度较大时，试样反而呈现较高的常温强度。
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