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为什么碳化硅耐火砖容易氧化?

文章出处:未知 人气: 发表时间:2019-03-01 10:43

碳化硅耐火砖是一种非氧化物材料,在高温氧化条件下,不可避免的带来氧化问题。虽然SiC的氧化产物是SiO2保护膜,可以阻止氧化的进一步发生,但是,约在800℃~1140℃左右SiO2膜会因变相而产生体积变化,从而使其结构变得疏松,氧化保护作用骤减另外,在一定条件下,SiO2保护膜还无法形成。这都将导致碳化硅耐火砖的使用性能降低,影响它的使用寿命。

由此,碳化硅耐火砖的氧化性能及提高碳化硅耐火砖的抗氧化性能的措施引起了人们的广泛关注。为什么碳化硅耐火砖会容易氧化呢?我们具体分析。

碳化硅耐火砖在普通条件下(如大气1000℃—2000℃)具有较好的抗氧化性能,这是由于高温条件下,碳化硅材料表面形成了一层非常薄的、致密的、与基体结合牢固的SiO2膜,氧在SiO2氧化膜中的扩散系数非常小,因此碳化硅耐火砖的氧化非常缓慢。碳化硅耐火砖在这种富氧条件下的缓慢氧化称为惰性氧化。但在某些条件下,如在足够高的温度下或较低的氧分压下,SiC转化成的SiO2保护膜被环境腐蚀,这将导致碳化硅耐火材料被快速氧化,即产生活性氧化而碳化硅耐火砖在使用过程中经常会遇到这种环境。
碳化硅耐火砖

 

到目前为止,对碳化硅耐火砖的氧化机理的研究有许多工作,但由于碳化硅耐火砖氧化问题的复杂性和碳化硅耐火砖使用条件的苛刻性,仍有许多基本问题尚未解决,下面详述了这方面的研究进展,以阐明碳化硅耐火砖的氧化特性:

碳化硅耐火砖的惰性氧化,在高温、氧化气氛中,碳化硅耐火砖表面会生成致密的SiO2膜,它的反应式为:

SiC(s)+3/20(g)→SiO2(s)+CO(g)(1)

SiC(s)+2 O2(g)→SiO2(s)+CO2(g)(2)

表层SiC到SiO2的转变导致材料的净重增加。这是惰性氧化的特性之一。按照方程式(1)(2)进行的氧化反应,实际上包含有三个过程:(1)氧通过SiO2膜扩散到SiO2/SiC界面上(2)氧在SiO2/SiC 界面上与碳化硅反应(3)反应产物CO 、CO2气体通过SiO2膜的扩散。如果氧化速率受界面反应的控制(过程2),反应速率是常数,表层SiO2膜厚与实践关系遵循线性关系:如果反应是由扩散控制,反应速率常数将随时间增加而减小,表层SiO2膜厚与时间关系遵循抛物规律。许多研究表明,碳化硅耐火砖的氧化初期以界面反应为主,随着氧化的进一步发生,氧的扩散过程占主导地位。

SiC的早期氧化产物为玻璃态SiO2膜。随着氧化温度的升高,约800℃—1140℃,玻璃态SiO2膜发生晶化。相变将产生体积变化,这使得SiO2保护膜结构变得疏松,进而同碳化硅基体结合不牢。这样,其氧化保护作用。另外,当碳化硅耐火砖循环使用时,由于SiO2在500℃以下热膨胀率系数变化较大,而碳化硅基材的热膨胀系数变化不大,这样,保护膜与基材间热应力变化较大,保护膜易破裂。对于孔隙较多的碳化硅制品,如氮化硅结合碳化硅材料,会发生晶界颈部氧化,产生的SiO2导致晶界处体积膨胀,膨胀应力将会导致碳化硅耐火砖破坏,碳化硅的惰性氧化会产生气体产物,这将产生发泡现象,使SiO2膜的氧化保护作用减小。

总结:碳化硅耐火砖,郑州超裕耐火材料有限公司的使用温度虽然很高,但是在使用时候还需要根据使用环境来谨慎选择,

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