应力作用下非氧化物复合耐火材料动态氧化行为及损伤机理研究

Nonoxide composite refractories possess excellent high temperature properties, low carbon or no carbon refractory materials will be prepared by adding nonoxides and lowering carbon content, which will contribute to energy-saving, emission-reduction and steel quality. However, application of nonoxide composite refractories in high temperature industry is retarded due to their oxidation and property degradation. Stress is key factor on oxidation of nonoxide composites due to micro-cracks producing in the oxidation film at the presence of stress. However, effect of stress on oxidation of nonoxide composites is not studied nowadays. Oxidation or stress is key factor on damage of nonoxide composites, the damage rate of nonoxide composites will be promoted when oxidation and stress occurred simultaneously, but there is no research report regarding effects of oxidation-stress on damage of composites. In this project, micro-cracks initiation and propagation behavior in oxidation film, evolution of phase composition and microstructure of oxidation film, interface between oxidation film and nonoxide substrate, nonoxide subtrate, and elements distribution during oxidation at high temperature under thermal stress, compressive stress and thermal-compressive stress will be studied. Dynamic oxidation behavior and oxidation mechanism of nonoxide composites under differnet stress will be revealed. Relationship between different stress and oxidation rate of nonoxide composites will be built by mass changing and thickness of oxidation film changing. Evolution of properties and fracturing behavior of nonoxide composites under oxidation-stress condition at high temperature will be also studied, to investigate damage mechanism under stress-oxidation condition. Oxidation theory and damage theory of nonoxide composites will be enriched in this work, and theory basis will be provided for improving oxidation resistance and service life of nonoxide composites.

非氧化物及其复合材料具有优异的高温性能，非氧化物取代碳制备低碳、无碳耐火材料，将有利于高温工业节能减排及优质钢冶炼，但非氧化物复合耐火材料的氧化制约了其在高温工业的广泛应用。应力易使材料表面保护性氧化膜破裂，是影响氧化的关键因素，应力-氧化耦合条件下材料损伤严重，但目前对非氧化物复合材料氧化的研究均未考虑应力的影响。本项目研究热应力、压应力及热应力-压应力耦合作用下材料表面氧化膜微裂纹萌生、扩展行为，氧化膜、氧化膜/基体界面和基体内部的物相组成和显微结构等的演变，揭示应力作用下材料的动态氧化行为和机理；以氧化过程中重量变化率和氧化膜生长速率，建立应力与氧化速率的关系；研究高温应力-氧化耦合条件下材料性能演变规律及断裂行为，探索材料在应力-氧化耦合条件下的损伤机理。本项目的成果不仅可以丰富非氧化物复合材料的应力氧化理论，还将为如何提高非氧化物复合耐火材料抗氧化性和使用寿命提供理论依据。

非氧化物及其复合材料具有优异的高温性能，但其在氧化性气氛下易氧化变质致使其优良的高温性能降低甚至丧失，进而制约了其在高温工业的广泛应用。耐火材料在高温服役过程中常经受频繁的温度急变和容器中物料的挤压，常受到热应力、压应力或热-压耦合应力等的作用。研究应力作用下非氧化物复合材料的氧化行为更接近服役环境，对预测材料使用寿命、防止材料使用过程中突然失效以及提高抗氧化性具有指导意义。.本工作以耐火材料中常用非氧化物SiC、SiAlON及其复合材料为研究对象，系统研究了热应力、压应力及热-压耦合应力作用下材料的氧化行为、氧化动力学、氧化机理以及氧化后性能演变规律等。结果表明：非氧化物复合材料的变温氧化增重率随温度升高而增大，热应力、压应力及耦合应力作用下材料的氧化增重率高于无应力下的，耦合应力作用下氧化增重率最大，且随应力循环作用次数增加而增大。.应力对非氧化物复合材料的物相组成和显微结构有明显影响。无应力作用时，试样氧化表面生成含莫来石的保护膜，封闭气孔，阻止氧气进入试样内部，保护试样内部非氧化物晶须不被氧化。应力作用下，试样氧化表面和氧化层均出现较多微裂纹，为氧气进入试样内部提供通道，加剧材料的氧化。试样内部有石英相生成，内部发生部分氧化，非氧化物晶须减少、甚至消失。在热-压耦合应力作用下，试样中产生更多微裂纹，且裂纹分叉、宽化，致使材料氧化更为严重。.应力对非氧化物复合材料的氧化动力学影响显著，应力改变了非氧化物复合材料的氧化特性。无应力时试样的氧化动力学曲线为经典的抛物线，呈保护性氧化特征；而应力作用下试样的氧化动力学曲线为近直线型，呈连续性氧化特征。与无应力作用下氧化试样相比，在应力作用下试样的氧化速率常数增加，氧化反应活化能降低，且耦合应力作用下的氧化反应活化能低于单一应力作用下的。. 非氧化物复合材料氧化后组成和显微结构发生了变化，致使材料高温强度明显降低，但因氧化生成玻璃相及产生微裂纹使材料保持优良的抗热震性。应力作用下，试样氧化后形成更多玻璃相，并形成较多微裂纹，致使材料高温强度显著降低，但应力未降低材料的抗热震性。