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非氧化物耐火材料

/non-oxide refractories/
最后更新 2023-11-15
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由碳化物、氮化物、硼化物、硅化物、硫化物等难熔化合物单相或复相为主要成分的耐火材料。其主要原料和组成包括:碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化硼(B4C)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、阿隆(AlON)、镁阿隆(MgAlON)、赛隆(SiAlON)、氮氧化硅(Si2ON2)、硅化钼(MoSi2)、硼化锆(ZrB2)、硼化钛(TiB2)、硫化铈(CeS)等。非氧化物耐火材料通常具有力学性能高、化学稳定性强、热导率高、抗热震性优良等特性。

英文名称
non-oxide refractories
所属学科
冶金工程

非氧化物耐火材料制备工艺通常包括配料、成型、干燥、烧成等步骤。所用原料绝大多数为人工合成原料。坯体一般采用半干法机压成型或等静压成型,少数采用注浆法成型。成型材料通常在高温非氧化性(如真空、氮气、氩气等)气氛中烧成,部分产品在烧结时需采用气压烧结甚至热压烧结,烧结后再经机械加工处理。

SiC质耐火材料是非氧化物耐火材料中用量最多的,它按结合相不同可分为氮化物结合SiC(包括Si3N4结合、SiAlON结合、Si2ON2结合等)、氧化物结合SiC(包括SiO2结合、黏土结合、莫来石结合等)、自结合SiC(包括重结晶、β-SiC结合、无压烧结)、反应烧结SiC,主要用作铝电解槽侧衬、高炉内衬、干熄炉内衬、垃圾焚烧炉内衬、增压锅炉内衬、锌冶炼炉内衬、金属热处理炉内衬和导轨、陶瓷窑具(棚板、推板、横梁、立柱等)、燃烧器烧嘴、热交换器等。SiC质耐火材料的理化性能详见表1。

表1 主要碳化硅耐火材料的理化性能及应用
名称Si3N4结合SiCSiAlON结合SiCSi2ON2结合SiCSiO2结合SiC黏土结合SiC莫来石结合SiC重结晶SiCβ-SiC结合SiC无压烧结SiC

反应烧结SiC

体积密度/  (g·cm-32.712.722.702.782.602.692.702.743.123.05
显气孔率/%141412101615151300
常温耐压强度/MPa2002002201801101504002001250
常温抗折强度/MPa4850545035359050500300
1400℃抗折强度/MPa55505235152512045

350

(1200℃)

20~1000℃线膨胀系数/K-14.5×10-64.6×10-64.5×10-64.8×10-65.1×10-65.0×10-64.8×10-64.6×10-64.3×10-64.5×10-6
1000℃热导率 /W·(m·K)-11816171312112523

120

(25℃)

40
SiC质量分数/%74757588857899949888
Si3N4质量分数/%21
β-SiAlON质量分数/%20
Si2ON2质量分数/%20
Si质量分数/%0.30.40.50.311
SiO2质量分数/%8.0661.0
Al2O3质量分数/%0.4614
Fe2O3质量分数/%0.50.50.50.70.80.70.10.40.2

其他非氧化物耐火材料基本上都属结构陶瓷,主要用作热电偶保护管、冶炼坩埚、轴承、陶瓷升液管、金属加工刀具、水平连铸分离环、喷嘴等,部分材料的理化性能详见表2。

表2  部分非氧化物耐火材料的理化性能及应用

名称

反应烧结Si3N4

无压烧结Si3N4

β-SiAlONn

热压烧结BN

热压B4C

热压烧结ZrB2

无压烧结

MoSi2

体积密度 /(g·cm-3)

2.60

3.20

3.26

1.88

2.51

5.80

5.6~7

显气孔率%

18

<0.1

5.6

< 0.5

< 1

抗弯强度 /MPa

160

828

945

116

480

460

350~400

断裂韧性 /(MPa·m1/2

5

3.6

3~4

弹性模量 /GPa

180

300

300

568

441

343

热导率 /(W·m-1·K-1)

18.4

(250℃)

22

(25℃)

17.8

(25℃)

20~1000℃线膨胀系数/K-1

3.0×10-6

3.2×10-6

3.0×10-6

2~7.5

×10-6

7~8×10-6

  • 董文麟.氮化硅陶瓷.北京:中国建筑工业出版社,1987.
  • 江东亮,李龙土,欧阳世翕,等.中国材料工程大典(第8卷)无机非金属材料工程(上).北京:化学工业出版社,2006.

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