应力扰动下低碳耐火材料中原位非氧化物晶须生长机理研究

The newly developed low carbon refractory materials have the advantages of energy-saving, environment-friendly and high efficiency. High temperature properties of the low carbon materials are closely related with the in-situ Al4C3, AlN and SiC nonoxide whiskers generated by Al and Si reactions. The growth of nonoxide whiskers is affected by many factors, among them, stress is ignored. Refractory materials can undergo complicated stress during application. Both the growth environment of nonoxide whiskers and the pressure of reactive gas in the materials are easily changed under the stress disturbing. So, stress is key factor on nonoxide whiskers growth. In this project, the reaction rule of Al and Si, the nucleation habit, growth direction, evolution of composition and microstructure of nonoxide Al4C3, AlN and SiC crystals under the disturbing of thermal stress, compressive stress and thermal-compressive stress will be studied. The growth mechanism of nonoxide whiskers under stress disturbing will be revealed. The morphology evolution of nonoxide whiskers under stress disturbing and its effects on high temperature properties will be also studied. The nonoxide whiskers growth theory will be enriched in this work, and theory basis will be provided for tailoring low carbon materials, improving properties and application of the materials.

新型低碳耐火材料具有节能环保、生产周期短等优点，其高温性能与Al、Si反应原位生成Al4C3、AlN和SiC等非氧化物晶须密切相关。非氧化物晶须生长受诸多因素影响，但目前的研究均未考虑应力的影响，而耐火材料应用过程中会经受复杂应力作用。应力扰动不仅可改变非氧化物晶须生长环境，还可使材料内微区反应气体压力发生变化。因此，应力是非氧化物晶须生长过程中不可忽略的重要影响因素。本项目拟研究热应力、压应力、热应力-压应力耦合应力扰动下，低碳耐火材料中Al、Si反应规律以及原位Al4C3、AlN和SiC等非氧化物晶体成核习性、生长取向、组成和显微结构演变等，揭示应力扰动下非氧化物晶须生长机理；研究应力扰动下非氧化物晶须形貌演变及其对低碳耐火材料高温性能影响规律。本项目的成果不仅可丰富非氧化物晶须应力生长理论，还可为低碳耐火材料的设计、性能提升和应用提供理论依据。

新型低碳耐火材料的性能与其中的Al、Si反应原位生成Al4C3、AlN和SiC等非氧化物晶须密切相关。Al4C3、AlN和SiC晶须的生成生长受诸多因素影响，其中应力扰动是影响其生长的重要因素之一。. 首先系统研究了无应力扰动时不同低碳耐火材料中Al、Si反应生成非氧化物晶须的规律，并探讨了温度、纳米添加剂、原料中杂质等的影响规律。结果表明：在还原气氛下，随温度升高Al、Si反应速率增加，纳米添加剂、Fe2O3杂质及粒度较细的原料、特种树脂均可促进Al、Si反应生成非氧化物晶须，使非氧化物晶须在材料中广泛分布，并与氧化物基体形成直接结合、形成交叉连锁的网络结构，提高了低碳材料的高温强度和抗热震性；原位非氧化物晶须的生成，还提高了材料的抗氧化性和抗侵蚀性。. 重点研究了热应力、压应力、热-压耦合应力扰动下低碳耐火材料中非氧化物晶须生长机理及其对材料性能的影响规律。结果表明：热应力较小时，其可加速Al、Si反应生成非氧化物晶须，且非氧化物晶须发育良好。因为热应力使材料表面产生微裂纹，空气进入试样内部的量略有增加，致使试样中CO、SiO等气体浓度增加，有利于非氧化物晶须生成，材料的性能提高。但热应力较大，以及热应力扰动次数增加，裂纹增多并宽化，非氧化物晶须生成量降低，材料性能下降。0.2 MPa压应力对材料中非氧化物晶须生长影响不大，压应力增至0.4 MPa时材料中产生微裂纹，有利于非氧化物晶须的生长。热-压耦合应力扰动下，材料中更易产生微裂纹，对材料中的化学反应以及非氧化物晶须的生成影响显著。应力扰动对非氧化物晶须生长机理无影响，晶须遵循VS或VLS生长机制。. 将应力扰动研究结果用于新型低碳滑板的试制，滑板在钢厂试用，取得较好效果。本项目的成果不仅丰富了非氧化物晶须应力生长理论，还对新型低碳功能材料的设计、性能提升和应用提供了理论依据。