B-Si-Zr掺杂碳合金制备的研究

精细化工学年论文题目：B-Si-Zr掺杂碳合金制备的研究学院：化学与材料工程学院专业名称：化学工程与工艺（精细化工）学号：201040820111学生姓名：张丹亚指导教师：胡燕辉2013年12月5日B-Si-Zr掺杂碳合金制备的研究摘要：B-Si-Zr掺杂碳合金由于具有很高的熔点，优异的高温强度，良好的抗氧化性能而成为有吸引力的高温结构材料，通过阅读文献本对碳合了一些研究。金的抗氧化性做通过研究碳材料在高温下的抗氧化性能，C-SiC-B4C在高温条件下的抗氧化性能，B-Si-Zr掺杂碳合金制备影响，得到了在碳材料中加入一些元素，可以提高碳材料的抗氧化性能的结论。关键字：炭合金；抗氧化性；制备Abstract:Zr-Si-Bdopingcarbonalloyduetohasishighofmeltingpoint,excellentofhightemperaturestrength,goodofanti-oxidationperformanceandbecamehasattractionofhightemperaturestructurematerial,throughreadingliterature，theoxidationresistanceofcarbonalloydidsomeresearch.Bystudyingtheantioxidantpropertiesofcarbonmaterialsathightemperatures.C-SiC-B4Coxidationresistanceinhightemperatureconditions,B-Si-Zrcontentontheoxidationresistanceofcarbonalloys,hasbeenaddedtosomeelementsincarbonmaterials,carbonmaterialscanimprovetheoxidationresistanceoftheconclusions.Keyword:Carbonalloy;Antioxidant;Preparation1引言随着现代工业的飞速发展，具有良好的综合性的新材料的创制成功将为科学技术的飞跃前进提供可能条件，碳材料具有许多优异的高温性能,如导热导电性好、比重低、耐摩擦磨损性能优异、强度高、模量高等等[1]。通过在碳材料中引入一些元素，就可以使得到的炭合金有良好的抗热震性[2,6]和导电导热性[3]，而且能在一定程度上改善碳材料的抗氧化效果，因而近年来有关碳材料的抗氧化性能的研究成为国内外相关学者们讨论的热点。2碳材料高温下抗氧化性能2.1炭材料的氧化行为碳材料在温度高于400℃时开始发生氧化反应。在不同的条件下,其氧化方式也是并不一样的。碳材料的氧化经历如下：(l)反应气体向碳材料表面传递；(2)反应气体吸附在碳材料表面；(3)在表面进行氧化反应；(4)氧化反应生成气体的脱附；(5)生成气体向相反方向的传递。根据碳材料的氧化特性,可以采用降低表面温度、防止氧化性气体进入碳材料表面以及延缓氧化反应进行的时间等方法2.2炭材料抗氧化的方法抗氧化问题是碳材料用于长寿命高温结构材料的关键。提高碳材料抗氧化能力的方法有两种：一是加入抗氧化剂降低氧化速率；二是在制件表面涂层隔绝氧气。具体的技术途径为溶液渗渍、基体改性和表面涂覆抗氧化涂层[4]。溶液渗渍法：该法是用适当的渗渍剂对石墨材料进行渗渍,然后热处理,使渗入石墨材料的渗渍剂转变成耐高温的稳定物质,充填石墨材料的孔隙并覆盖其表面,由此形成阻挡层,从而延缓氧化反应速度,达到降低消耗的目的。基本改性法：该法就是在碳基体中加入氧化抑制[5]剂，如Si,B等，使其制得的复合材料在氧化过程中具有自愈合特性。表面涂覆抗氧化涂层法：就是在炭材料的表面镀上一层复合涂层，该涂层具有优良的抗氧化和抗热震性能等性能3B-Si-Zr对碳材料高温氧化制备的影响3.1碳材料高温氧化实验研究在1800℃时分别对ZrB2+20vol%SiC(ZS1)、ZrB2+30vol%SiC(ZS2)复合材料进行不同氧分压下的高温氧化实验[7]，并且利用热力学计算软件FactSage进行数值模拟，得出了材料的高温氧化机理；探讨了氧化产物含量对表面形态的影响,与氧化后照片吻合；通过对不同SiC含量和氧分压的材料进行计算，发现SiC含量高对提高材料的抗氧化性能有利，但在低氧分压下由于SiO2的挥发使得这种有利因素不明显；根据氧化产物生成时的氧分压不同，得出了氧化层的示意图，分析出SiC耗散层是影响抗氧化性能的薄弱环节，并与材料测试结果进行了比较分析。在反应物与生成物的总质量守恒以及SiC耗尽层内的固体相体积不变基础上，描述了SiC耗尽层内生成物的体积膨胀以及孔洞的演化随温度的变化规律；把生成相与孔洞视为广义夹杂，通过细观力学的理论预报了SiC耗尽层的高温弹性性能的劣化过程，结果表明，衰减主要受相变的控制，初始SiC含量越高，生成的孔洞体积分数越大，SiC耗尽层的弹性性能衰减也越明显。3.2碳热还原(CarbothermalReaction)主要运用的机理：ZrO2+B2O3+C→ZrB2+CO↑(1)ZrO2+B4C+C→ZrB2+CO↑(2)这两个反应均为吸热反应，反应式(1)在298K时的ΔHor为1475.6KJ，因此只有在1500℃以上该反应才发生。Zhao等[8]利用碳热还原法，将ZrO2、B4C和C粉混合置于电炉中在惰性气氛下1600℃左右烧成得到ZrB2粉。在对ZrO22B4C2体系的热动力学计算和实验研究中发现，该反应在低温阶段(1400℃左右)按照硼化反应进行：ZrO2+5/6B4C+C→ZrB2+2/3B2O3+5/6C(3)而在高温阶段(1600℃)按碳化反应反应式(1)进行。这个反应体系中，合成温度越高，O和C含量越低，而ZrB2粒径越大。用B2O3能够降低C含量，但是B2O3易挥发，应加入过量的B4C以弥补B的损失得到高纯的ZrB2粉体[9]。对于碳热还原反应合成粉体来说，C为粉体中主要的杂质。所以选择合适的合成温度和保温时间对提升碳材料抗氧化能力至关重要[10]。因此碳材料中加入B,Si,Zr等让其抗氧化性能大幅度增加。4结语本文通过高温下碳材料的抗氧化实验研究及机理，得出B-Si-Zr掺杂对碳合金抗氧化性能的影响，从而知道了炭材料中掺杂Si和B-Si，SiC,ZrB2后的炭合金在高温条件下的抗氧化性能，在炭材料中加入一定量的抗氧化剂，会使炭材料的性能如导热导电性好、比重低、耐摩擦磨损性能优异、强度高、模量高等等得到显著的提高，特别是抗氧化性能。参考文献[1]李贺军.炭/炭复合材料[J].新型炭材料,2001,16(2):79-80[2]魏明坤,肖辉,梁爱民,等.炭材料的高温抗氧化研究进展[J].江苏陶瓷,2003,36(1):24-28[3]喻亮,茹红强,蔡继东,等.热压温度对C-SiC-B4C复合材料性能的影响[J].材料研究学报,2008,22(1):107-112[4]朱云虎,耿浩然,陈广立,等.炭材料的高温抗氧化性研究进展[J].炭素,2010,(1):32-37[5]冯祖德,何立志,王艳艳,等.聚碳硅烷SiC纤维的高温氧化行为研究进展[C].//2005年全国失效分析学术会议专辑理化检验(物理分册)2005Vol.41增刊.2005:59-61[6]任研研.渗硼提高多孔炭抗氧化性能研究[D].中国石油大学(华东),2012[7]张永刚,韩雅芳,陈国良等.金属间化合物结构材料.国防工业出版社,2001:785-827[8]H.Zhao,Y.He,Z.Z.Jin.[J].J.Am.Ceram.Soc.,1995,78(9):2534～2536[9]黄强，李青，宋尽霞，等．TZM合金的研究进展[J]．材料导报，2009.23(11)：38—42121期第27卷第5期[10]闫永杰,张辉,黄政仁1,刘学建材料科学与工程学报总第27卷第五期