产品分类

耐材知识

当前位置:首页 > 耐材知识 > 碳化硅耐火材料易氧化的原因

碳化硅耐火材料易氧化的原因

添加时间:2019年4月28日  浏览次数:

碳化硅材料是共价键性极强的化合物,在高温状态下仍可以保持高的键合强度,强度降低不明显,高温变形小,且导热性好,热膨胀系数小,热震稳定性好。由此,碳化硅材料被认为是一种很优异的高温结构材料和耐火材料。但是,碳化硅材料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,SiO2保护膜,可以阻止氧化的进一步发生但是约在800℃—1140℃SiO2膜会因相变而产生体积变化,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。这都将导致碳化硅材料的使用性能降低,影响它的使用寿命。

碳化硅材料在普通条件下(如大气1000℃-2000℃)具有较好的抗氧化性能,这是由于在高温条件下,碳化硅材料表面形成了一层非常薄的、致密的、与基体集合牢固的SiO2膜,氧在SiO2氧化膜中的扩散系数非常小,因此碳化硅材料的氧化非常缓慢。碳化硅材料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转化为挥发性的SiO2保护膜被环境腐蚀,这将导致碳化硅材料被快速氧化
,即产生活性氧化。而碳化硅材料在使用过程中经常会遇到这种环境。到目前为止,对碳化硅材料在高温、氧化气氛中,碳化硅材料表面会生成致密的SiO2膜,它的反应为:

SiC+3/2O2→ SiO2+CO
SiC+2O2 →Sio2+CO2

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。但是研究表明,SiC的早期氧化产物为玻璃台态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,进而同碳化硅基体集合不牢。这样,其氧化保护作用骤减。另外,当碳化硅材料循环使用时,由于SiO2在500℃以下热膨胀系数变化较大,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。对于空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制品破坏: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。

碳化硅砖

另一种说法为当碳化硅材料在加热温度相对较低在1040~1360℃之间时,碳化硅的氧化程度较为轻微,颗粒基本保持原貌,颗粒的棱角部分与加热前基本相同。碳化硅在该温度阶段的抗氧化性能较为稳定,表面的微观结构变化不明显。

当在1360~1460℃时,随着温度的升高,碳化硅颗粒的表面逐步形成较明显的氧化层,氧化层的主要成分为二氧化硅,由于此时的氧化温度尚不足够高,碳化硅颗粒外形变化不大,但其尖角部位开始变钝,经过该温度氧化后的表面氧化层厚度较薄,许多部位不能被氧化层完全覆盖,此时的氧化层厚度约为2~5μm,当氧化温度提高到1460~1520℃之间时,试样表面氧化物的生成数量明显增多,该温度氧化后碳化硅颗粒已经基本埋入氧化层中,由于氧化层对碳化硅基体的覆盖面积相对增大,起到了阻碍氧化的作用,但是由于碳化硅基体表面颗粒的起伏,使氧化层不够均匀且存在许多孔洞,孔洞处还将会继续发生氧化,另外,还可以观察到表面氧化层中存在着许多裂纹,同时有些部位的氧化层已经产生脱落,这一方面是由于氧化硅层与碳化硅基体的热膨胀系数不同,二者的收缩量不一致,在冷却过程中产生应力,另一方面是由于表面氧化层
碳化硅基体结合不良,由于这二方面的因素,造成氧化硅层的开裂和剥落,在产生裂纹和剥落的位置,为氧进一步接触碳化硅基体提供了通道,由此可以考虑,如果碳化硅材料在温度阶段使用,在多个加热与冷却周期中,局部表面的氧化层不断地生成和剥落,碳化硅制品的基体截面将会不断减小。

氧化温度达到1560℃以后,碳化硅基体表面所形成的氧化硅流动能力提高,加上氧化反应的加剧,氧化物的数量进一步增多,表层的碳化硅颗粒大部分被“淹没”后,使氧化层的外表面变得较为平坦,冷却到室温后的表面所形成的氧化层依然不能够对碳化硅的表面进行完全致密覆盖,存在一些孔洞,将进一步造成碳化硅基体的氧化。所以当使用温度高于1520℃后,氧化层的厚度较大且外表面较为平坦。但出于熔融态的二氧化硅流动能力较强,使碳化硅颗粒的棱角处氧化层变薄,碳化硅氧化反应的气体易于由此逸出而形成孔洞,为氧的进入提供了通道,使碳化硅的氧化速度加快,该阶段为快速氧化阶段。


 

关键词:碳化硅   
版权所有 2013-2018 郑州驹达新材料科技有限公司 豫ICP备16012381号-1
电话:0371-60288311 传真:0371-85818311 业务咨询:18537113611
邮箱:zzjdnc@163.com QQ:497985876

豫公网安备 41018302000261号

你好 欢迎订购我公司耐火材料产品
在线客服