耐火材料生产中常用到的非氧化物有哪些？
发布日期： 2020-04-09 13:35:08 阅读量（510） 作者：刘梓明在氧化物-非氧化物复合耐火材料中常用的非氧化物的代表是SiC、Si3N4、SiAlON等几种。本文针对Si3N4与SiAlON两种非氧化物，在此对这两种非氧化物进行介绍。
1.Si3N4
Si3N4是一种强共价键化合物，是原子晶体。其基本结构单元是以Si原子和N原子所组成的[SiN4]四面体结构，其中Si原子处于中心位置，4个N原子分布在Si原子的周围。3个四面体结构共用一个N原子。Si3N4可分为两种晶体类型，α-Si3N4呈颗粒状，而β-Si3N4呈长柱状，β-Si3N4的结构如图1-1所示，两种晶型都属于六方晶系。由于α-Si3N4和β-Si3N4在c轴方向上排列方式的差异，α-Si3N4(a=7.7491~7.7572Å，c=5.6164~5.6221Å)在c轴方向上尺寸相比较于β-Si3N4(a=7.608Å，c=2.911Å)扩大了约1倍。α-Si3N4由于结构对称度低，内部应变比β-Si3N4大，所以具有较高的自由能，稳定性较β-Si3N4差。在1200~1300℃氮化得到的是α-Si3N4，在1455℃氮化得到的是β-Si3N4。而在1550℃下，α-Si3N4会向β-Si3N4转化，该转化是不可逆的。β-Si3N4相比α-Si3N4具有更高的硬度，长柱状晶粒对材料的力学性能的提高有利。
图1 β-Si3N4晶体结构示意图
Si3N4材料具有抗热震、高温蠕变小、结构稳定等多种优良性能，因而得到了多方面的应用。在钢铁冶金中可以用作铸造容器，在水平连铸工艺中，Si3N4由于具有一般氧化物耐火材料所不具有的耐侵蚀耐磨损的特点，可以用作连接中间包与结晶器的耐火部件。除了金属冶炼工业外，由于其拥有的优良物理与化学性能，Si3N4在机械工业与化学工业等领域中也有所应用。
2.SiAlON
SiAlON是由Si、Al、O、N所组成的合成词，根据其发音，也被译为“赛隆”。20世纪70年代，日本和英国的科学家在研究氮化硅陶瓷添加剂的研究时发现了SiAlON，它是由Al和O固溶在Si3N4中取代原有的Si和N所形成固溶体的通称，图2所示为Si-Al-O-N体系示意图。其晶体结构与Si3N4相似，因此得以保留了Si3N4所具有的强度、硬度以及耐热性，在韧性、化学稳定性和抗氧化性方面更胜Si3N4一筹，并且比Si3N4更易烧结，因此人们相信性能优秀的SiAlON拥有广阔的发展前景。
图2 Si-Al-O-N体系示意图
Si-Al-O-NSiAlON的主要类别有β-SiAlON、α-SiAlON、O’-SiAlON等，其中常见的是β-SiAlON和α-SiAlON。
β-SiAlON属于六方晶系，由于晶粒通常呈现长柱状故其陶瓷体具有较高的韧性强度。β-SiAlON的通式为Si6-ZAlZOZN8-Z，式中，0
α-SiAlON是α-Si3N4经过取代所形成的固溶体，α-Si3N4中的N和Si被Al和N取代形成Al-N键和Al-O键，电价的不平衡由Ca、Mg等金属阳离子的填隙来补偿。α-SiAlON的通式为MXSi12-(m+n)Alm+nOmN16-n，式中，M代表Ca、Mg等金属阳离子，0≤m≤12，0≤n≤6，m=Kx，x≤2，K表示的是填隙金属阳离子所具有的化合价。比较其他种类SiAlON而言，α-SiAlON具有更为优秀的耐磨性和硬度。
SiAlON作为结合相形成的复合耐火材料得到了广泛应用，例如：因性能大大优于刚玉-莫来石和棕刚玉复合砖，SiAlON结合刚玉复合耐火材料已广泛应用在高炉和窑具上。纯刚玉材料的热膨胀系数大，抗热震性能较差，而与SiAlON复合能够明显改善刚玉材料的抗侵蚀性和热震稳定性。
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