李紫勇等：碳还原粉煤灰制备SiC/A,O,系复合材料 837 程中添加部分氧化铁作为催化剂，结果表明氧化铁的 颗粒所含的石英相与碳反应生成碳化硅，随着反应程 加入可以提高产物中碳化硅和氧化铝的生成量，碳化 度的加深，颗粒内部的石英逐渐被消耗，造成球形颗粒 硅生长遵循气-固-液机理，因此粉煤灰中少量的氧化 和不规则颗粒破裂，莫来石相显现出来，最终使得非晶 铁（质量分数为3%）对还原过程应该也有一定程度的 体相消失.1773K莫来石相消失，碳含量显著减少，碳 促进作用.氧化钙与碳在高温下可以生成碳化钙 化硅和氧化铝明显增加，碳化硅和氧化铝成为主物相. (2106K)或金属钙(2678K),氧化钛与碳可以生成碳 随着温度升高，碳化硅和氧化铝相对含量继续增加，但 化钛(1564K)和金属钛(2038K),氧化镁与碳生成金 增加程度缓慢，表明粉煤灰和碳已经充分反应，升高温 属镁的起始温度为2127K,因此在制备SiC1AL0,复 度有利于碳化硅和氧化铝的生成，较好的温度条件为 合材料的温度条件下，粉煤灰中的氧化钙及氧化镁仍 1773~1873K. 然存留在还原产物中，而氧化钛可以以碳化物形式进 80 。莫来石 入还原产物.粉煤灰中的其他杂质，如氧化钠和氧化 70 。一碳化硅 钾属于低熔点氧化物，在还原过程中过早熔化，会封闭 4一三氧化二铝 60 一碳 反应界面的气孔，不利于反应的进行.粉煤灰中还含 50 有少量的碳，可以为还原过程提供碳源.粉煤灰中杂 质成分含量较高，为了使反应顺利进行及使得制备的 40 复合材料性能较好，应当选择杂质成分含量低的粉煤 30 灰为原料. 20 0 3结果与讨论 1673 1773 1823 1873 3.1温度的影响 T/K 图5和图6分别为以C/Si摩尔比为4进行配料， 图6不同温度下物相相对强度 在不同温度条件下保温2还原产物X射线衍射图和 Fig.6 Relative intensity of products synthesized at different tempera- 物相相对强度.分析可知，在1673K粉煤灰中非晶体 tures 相及石英相基本消失，存在大量未反应的莫来石相，产 3.2保温时间的影响 物中有少量碳化硅和氧化铝生成，并且有较多碳剩余， 粉煤灰和石墨以C/Si摩尔比4配料，在1823K进 表明在此温度下粉煤灰还原程度较低，石英与碳反应 行保温时间实验.图7和图8分别为不同保温时间： 完全，只有少部分莫来石发生反应.热力学计算表明， 时还原产物X射线衍射图及物相相对强度.从图中可 二氧化硅与碳反应生成碳化硅的温度为1790K,而在 知，保温1h石英相完全转变成碳化硅，仍然有大量碳 实验中低于该温度.这是因为在进行热力学计算时气 剩余及部分莫来石未发生反应，只有极少量碳化硅和 体压力是以0.1MPa进行计算的，实验中气体压力小 氧化铝生成，反应时间不足使得粉煤灰还原不充分 于0.1MPa.非晶体相消失原因是，球形颗粒和不规则 V莫来石0碳化硅·三氧化二铝A碳 V莫来石◇碳化硅·二氧化二铝△碳 1873KA 4 h 1823K儿9 3h 0 173K9 2h 1673K 〉yw·9 Ap克g四 10 30 50 70 90 20 304050607080 90 20M9) 209 图5不同温度下还原产物X射线衍射图 图7不同保温时间时还原产物X射线衍射图 Fig.5 XRD patters of products synthesized at different tempera- Fig.7 XRD patterns of products synthesized at different holding pe- tures riods of time李紫勇等: 碳还原粉煤灰制备 SiC/Al2O3 系复合材料 程中添加部分氧化铁作为催化剂，结果表明氧化铁的 加入可以提高产物中碳化硅和氧化铝的生成量，碳化 硅生长遵循气!固!液机理，因此粉煤灰中少量的氧化 铁( 质量分数为 3% ) 对还原过程应该也有一定程度的 促进作 用． 氧化钙与碳在高温下可以生成碳化钙 ( 2106 K) 或金属钙( 2678 K) ，氧化钛与碳可以生成碳 化钛( 1564 K) 和金属钛( 2038 K) ，氧化镁与碳生成金 属镁的起始温度为 2127 K，因此在制备 SiC /Al2O3 复 合材料的温度条件下，粉煤灰中的氧化钙及氧化镁仍 然存留在还原产物中，而氧化钛可以以碳化物形式进 入还原产物． 粉煤灰中的其他杂质，如氧化钠和氧化 钾属于低熔点氧化物，在还原过程中过早熔化，会封闭 反应界面的气孔，不利于反应的进行． 粉煤灰中还含 有少量的碳，可以为还原过程提供碳源． 粉煤灰中杂 质成分含量较高，为了使反应顺利进行及使得制备的 复合材料性能较好，应当选择杂质成分含量低的粉煤 灰为原料． 3 结果与讨论 图 5 不同温度下还原产物 X 射线衍射图 Fig． 5 XＲD patterns of products synthesized at different tempera￾tures 3. 1 温度的影响 图 5 和图 6 分别为以 C / Si 摩尔比为 4 进行配料， 在不同温度条件下保温 2 h 还原产物 X 射线衍射图和 物相相对强度． 分析可知，在 1673 K 粉煤灰中非晶体 相及石英相基本消失，存在大量未反应的莫来石相，产 物中有少量碳化硅和氧化铝生成，并且有较多碳剩余， 表明在此温度下粉煤灰还原程度较低，石英与碳反应 完全，只有少部分莫来石发生反应． 热力学计算表明， 二氧化硅与碳反应生成碳化硅的温度为 1790 K，而在 实验中低于该温度． 这是因为在进行热力学计算时气 体压力是以 0. 1 MPa 进行计算的，实验中气体压力小 于 0. 1 MPa． 非晶体相消失原因是，球形颗粒和不规则 颗粒所含的石英相与碳反应生成碳化硅，随着反应程 度的加深，颗粒内部的石英逐渐被消耗，造成球形颗粒 和不规则颗粒破裂，莫来石相显现出来，最终使得非晶 体相消失． 1773 K 莫来石相消失，碳含量显著减少，碳 化硅和氧化铝明显增加，碳化硅和氧化铝成为主物相． 随着温度升高，碳化硅和氧化铝相对含量继续增加，但 增加程度缓慢，表明粉煤灰和碳已经充分反应，升高温 度有利于碳化硅和氧化铝的生成，较好的温度条件为 1773 ～ 1873 K． 图 6 不同温度下物相相对强度 Fig． 6 Ｒelative intensity of products synthesized at different tempera￾tures 图 7 不同保温时间时还原产物 X 射线衍射图 Fig． 7 XＲD patterns of products synthesized at different holding pe￾riods of time 3. 2 保温时间的影响 粉煤灰和石墨以 C / Si 摩尔比 4 配料，在 1823 K 进 行保温时间实验． 图 7 和图 8 分别为不同保温时间 t 时还原产物 X 射线衍射图及物相相对强度． 从图中可 知，保温 1 h 石英相完全转变成碳化硅，仍然有大量碳 剩余及部分莫来石未发生反应，只有极少量碳化硅和 氧化铝生成，反应时间不足使得粉煤灰还原不充分． · 738 ·