闪速燃烧合成氮化硅铁机理及应用研究

发布时间：2018-11-27 07:46

【摘要】：氮化硅铁(Fe-Si3N4)是以廉价的FeSi75为原料,利用闪速燃烧合成工艺制备的一种金属-陶瓷复相材料,已经大量应用在大型高炉无水炮泥、高炉铁水沟及钢包滑板等领域,降低了高炉炼铁和钢包精炼的成本。作为性能优异的氮化硅基材料,氮化硅铁制品在很多场合都有潜在的应用。本课题为拓展氮化硅铁的应用范围,深入了解闪速燃烧合成过程、氮化反应机理、晶体生长理论等微观机理,并对氮化硅铁在某些场合应用的可能性进行研究,以求能对氮化硅铁的结构、物相和性能等进行调控,推动闪速燃烧技术的发展,推广氮化硅铁材料的应用。以FeSi75细粉为原料,利用工业闪速炉制备氮化硅铁,并对其各项性能进行测试,对其物相组成、微观结构和元素分布进行XRD、SEM、EDS、TEM分析。氮化硅铁的主要物相和大致含量为β-Si3N4(59wt%),α-Si3N4(23wt%), SiO2(3wt%),Fe3Si(15wt%)。氮化硅铁中存在三种典型的微观结构：a.呈放射状的柱状交错的β-Si3N4单晶,呈规则的六方棱柱状形貌：b.裸露的或者部分包裹在致密区域内部的含铁相Fe3Si;c.放射状柱状晶体中心的致密区域,洳Si3N4和SiO2位于致密区域中,SiO2以晶态和非晶态的形式存在。氮化硅铁的孔结构以亚毫米级的孔隙为主,等效直径分布在30μm～990μm之间,几乎全部为贯通气孔。FeSi75颗粒的燃烧氮化反应即为金属硅颗粒和ξ相颗粒的氮化反应,高温下,金属硅颗粒为Si熔体,ξ相颗粒为Fe-Si熔体。Si熔体进行表面氮化,其体积不断收缩。Fe-Si熔体进行表面氮化,其表面的Fe离子大量向内部迁移,而内部的Si离子大量向表面迁移,同时,Fe-Si熔体也在不断的收缩。Si熔体和Fe-Si熔体发生表面氮化-氦化硅壳破裂-表面氮化的重复反应,反应后生成稳定的Fe3Si、α-Si3N4和β-Si3N4的混合物。生成的混合物在下落的过程中,Si3N4与N2中的微量O2发生反应,在其表面生成一层非晶态SiO2膜。Fe3Si和带有SiO2膜的Si3N4落入产物池,松散的堆积。在产物池中,α-Si3N4通过溶解-沉淀机制转变为β-Si3N4,未来得及溶解的α-Si3N4晶体留在致密区,而SiO2膜在高温下发育成晶态和非晶态共存的状态。β-Si3N4晶体在致密区域以螺旋生长和层生长的方式结晶长大。其[100]方向可获得大量的不同角度的生长台阶,孕育母体为Si-N-O熔融相。在晶体生长后期,结晶驱动力减小,长程扩散消失,短程扩散导致(100)结晶界面近距离的Si-N-O熔融相中N元素含量降低,致使Si-N-O熔融相中与结晶界面的距离不同,其N元素是梯度分布的。在真空高温应用环境下,氮化硅铁中的Fe3Si熔体挥发出大量的Fe蒸气,与氮化硅表面反应生成新的Fe-Si熔体,而新的Fe-Si熔体继续挥发Fe蒸气。上述过程不断重复,致使Fe-Si合金颗粒的分散更均匀。六方棱柱状的氮化硅晶体在真空高温下发生了分解,顶部六边形的每个边和六方棱柱的每个棱都逐渐消失。以氮化硅铁为骨料,硅粉为细粉,利用反应烧结制备氮化硅质耐火材料。其主要物相及大致含量为P-Si3N4(72wt%),a-Si3N4(9wt%),Si2N2O(6wt%), SiO2(1wt%), Fe3Si(12wt%)。氮化硅质耐火材料制品中小柱状、纤维状和颗粒状的结合相Si2N2O和Si3N4,主要是体系中的Si蒸气、SiO与N2、O2等进行气相反应的结果。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1

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