郝洪顺等：Fe-Sialon复合材料中Fe,Si合成热力学分析及实验验证 ·223· 表3反应式的△G值 Table 3 AG values of the reactions 反应式 △G/(Jmol1) Fe,01(s)+C(s)—2F0(s)+C0(g) △G=164888.8-215T+8.3147In(Pco/P9) Fe,04(s)+C(s)—3Fc0(s)+C0(g) △G=182892.4-211.1T+8.3147n(Po/po) Feo(s)+C(s)=Fe(s)+CO(g) △G=156714.1-148.97+8.314Tn(Pco/pe) 3Fe(s)+Sio,(s)+2C(s)=Fe Si(s)+2CO(g) △G=569217.7-335.5T+16.63nn(Po/p9) TIK 淤泥沙、金矿尾矿以及活性炭按照69：11：20的质量比 2000.001818.181666.671538.461428.571333.331250.00 混合，置于聚氨酯球磨罐中，以无水乙醇为介质在行星 Fe,O, 式球磨机中球磨6h,然后将浆料放入烘箱中80℃烘 FeO 10 干.干燥后称取坯料，加入少量PVA研磨，然后放入 Feo 模具中，于40MPa下压制成25mm×4mm的试样. 试样埋焦炭置于管式炉恒温区中，连续通入0.6L· Fe min1的氮气，分别在1300、1400和1500℃下常压保温 6h合成0'Sialon(Si,Al0,N.,)基复相材料. 图6为在不同温度下保温6h合成产物的X射线 FeSi 衍射图.从图6中可以看出，当反应温度较低时(1300 0.50 0.00060 0.00070 0.00080 ℃)，合成了少量的Si2N0,还有未反应的C及Si02, T-/K- 随着反应温度的升高，碳热还原氮化进行的越加充分， 图5FeSi系在C和SiO2过量下各物质稳定存在的区域图 在1500℃时生成了大量的目标产物0'Sialon,还有少 Fig.5 Regional map of matter stability in the Fe-Si system under 量的SiC和FeSi.在反应温度为1300℃、1400℃和 excess C and Si02 1500℃时，合成产物中都生成了FeSi,且随着温度的 表4淤泥沙与尾矿的化学成分（质量分数） Table 4 Chemical composition of the sediment and tailing % 名称 SiO2 A山203 Cao fe304 Mgo Na,0 K20 TiO, 烧失量 淤泥沙 68.21 12.30 6.46 5.12 1.22 0.32 3.44 1.75 金矿尾矿 90.84 3.59 0.42 1.05 1.88 0.42 0.65 <0.01 1.57 升高变化不大.这与前面热力学分析结果(Fe元素最 Fe,Si相的Fe-Sialon复合材料，其扫描电镜图见图7. 终以Fe,Si形式存在)基本吻合. 由图看出产生了大量的纤维状的晶粒，以及少量的絮 状或短小的柱状晶粒. -O'Sialon -Fe3Si △SiC■C E-Si,N,O Tridymite一Quartz 1500℃ 就c沈：反无大 从 1400℃ 、”· 1300℃ 40 60 80 图7在1500℃保温6h合成的0 Sialon的扫描电镜照片 2( Fig.7 SEM image of O'-Sialon sintered at 1500 C for 6h 图6在不同温度下保温6h合成产物的X射线衍射谱 Fig.6 XRD pattern of samples sintered at different temperatures for 6h 3 结论 在1500℃保温6h,在埋焦炭烧结的条件下，成功 (1)对淤泥沙原料中Fe,0,及其中间产物Fe0和 合成了以0 Sialon为主要物相，还含有少量SiC及 Fe参与的反应进行了热力学分析，FeO,、Fe0和Fe将郝洪顺等: Fe--Sialon 复合材料中 Fe3 Si 合成热力学分析及实验验证 表 3 反应式的 ΔG 值 Table 3 ΔG values of the reactions 反应式 ΔG/( J·mol － 1 ) Fe2O3 ( s) + C( s) 2FeO( s) + CO( g) ΔG = 164888. 8 － 215T + 8. 314Tln ( PCO /P ) Fe3O4 ( s) + C( s) 3FeO( s) + CO( g) ΔG = 182892. 4 － 211. 1T + 8. 314Tln ( PCO /P ) FeO( s) + C( s) Fe( s) + CO( g) ΔG = 156714. 1 － 148. 9T + 8. 314Tln ( PCO /P ) 3Fe( s) + SiO2 ( s) + 2C( s) Fe3 Si( s) + 2CO( g) ΔG = 569217. 7 － 335. 5T + 16. 63Tln ( PCO /P ) 图 5 Fe--Si 系在 C 和 SiO2过量下各物质稳定存在的区域图 Fig． 5 Ｒegional map of matter stability in the Fe--Si system under excess C and SiO2 淤泥沙、金矿尾矿以及活性炭按照 69∶ 11∶ 20 的质量比 混合，置于聚氨酯球磨罐中，以无水乙醇为介质在行星 式球磨机中球磨 6 h，然后将浆料放入烘箱中 80 ℃ 烘 干． 干燥后称取坯料，加入少量 PVA 研磨，然后放入 模具中，于 40 MPa 下压制成 25 mm × 4 mm 的试样． 试样埋焦炭置于管式炉恒温区中，连续通入 0. 6 L· min － 1的氮气，分别在 1300、1400 和 1500 ℃下常压保温 6 h 合成 O'-Sialon ( Si1. 7Al0. 3O1. 3N1. 7 ) 基复相材料． 图 6 为在不同温度下保温 6 h 合成产物的 X 射线 衍射图． 从图 6 中可以看出，当反应温度较低时( 1300 ℃ ) ，合成了少量的 Si2 N2 O，还有未反应的 C 及 SiO2， 随着反应温度的升高，碳热还原氮化进行的越加充分， 在 1500 ℃时生成了大量的目标产物 O'-Sialon，还有少 量的 SiC 和 Fe3 Si． 在反应温度为 1300 ℃、1400 ℃ 和 1500 ℃时，合成产物中都生成了 Fe3 Si，且随着温度的 表 4 淤泥沙与尾矿的化学成分( 质量分数) Table 4 Chemical composition of the sediment and tailing % 名称 SiO2 Al2O3 CaO Fe3O4 MgO Na2O K2O TiO2 烧失量 淤泥沙 68. 21 12. 30 6. 46 5. 12 1. 22 0. 32 3. 44 1. 75 金矿尾矿 90. 84 3. 59 0. 42 1. 05 1. 88 0. 42 0. 65 ＜ 0. 01 1. 57 升高变化不大． 这与前面热力学分析结果( Fe 元素最 终以 Fe3 Si 形式存在) 基本吻合． 图 6 在不同温度下保温 6 h 合成产物的 X 射线衍射谱 Fig． 6 XＲD pattern of samples sintered at different temperatures for 6 h 在 1500 ℃保温 6 h，在埋焦炭烧结的条件下，成功 合成了以 O'-Sialon 为主要物相，还含有少 量 SiC 及 Fe3 Si 相的 Fe--Sialon 复合材料，其扫描电镜图见图 7． 由图看出产生了大量的纤维状的晶粒，以及少量的絮 状或短小的柱状晶粒． 图 7 在 1500 ℃保温 6 h 合成的 O'-Sialon 的扫描电镜照片 Fig． 7 SEM image of O'-Sialon sintered at 1500 ℃ for 6 h 3 结论 ( 1) 对淤泥沙原料中 Fe3O4及其中间产物 FeO 和 Fe 参与的反应进行了热力学分析，Fe3O4、FeO 和 Fe 将 · 322 ·