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,666 北京科技大学学报 2006年第7期 有一定量的MoSi2;随着进一步向内层扫描，氧含 量基本没有什么大的变化，而硅的含量在逐渐增 加过渡到一个正常的水平，钼的含量经过轻微的 波动之后稍稍有所降低，结合低倍能谱分析内层 物质主要为MoSi2,由此说明在通电氧化过程中 MoSi2发热元件表面会很快发生式(I)的反应，表 面生成一层致密的保护膜，保护内部材料不被进 一步的氧化，从外向内材料的主要成分依次为玻 图4市场购买的发热元件的断口照片 璃保护膜、MosSi3和MoSi2,这和Kanthal公司产 Fig.4 SEM micrograph of the fracture surface of an MoSiz 品的组织结构特征基本一致刊. heating element from market 物的特征有关，陶瓷矿物的主要成分为Si02和 Al2O3,并含有一定数量的Fe,Mg,K,Na和Ca 等金属的氧化物，其熔点在1200~1400℃之间， 1400℃烧结时陶瓷矿物是以液相的形式存在，烧 结具有明显的液相烧结的特征 表面形貌分析发现在发热元件表面形成了一 EkeV 层大约3m厚的保护膜（图5），结合能谱分析 (图6)发现这种保护膜不是单一的SiO2保护膜， 图6MSi,发热元件表面膜的能谱分析 Fig.6 EDS photographs of the surface film composition for an 而是一种含有Mg0,Ca0,Na20,Alz03的以Si02 MoSi2 heating element 为主的玻璃保护膜，这和艾云龙研究Kanthal发 热元件保护膜的成分基本一致0，保护膜中 元素面分析表明（图7），Mo和Si在灰色基 Mg0,Ca0,Na20和A2O3等金属氧化物的存在， 体中分布都比较均匀，黑色相中没有M0,而在黑 虽然使得玻璃保护膜的熔点有所降低，但他们可 色相周围白色相中Mo的含量比较高，但是在白 以协调Si02保护膜的比热容、热导率、热稳定性， 色相区域S的含量有所降低，因此灰色基体为 玻璃熔体的粘度、表面张力和热膨胀系数等物理 MoSi2,白色相是Si含量相对较低而Mo含量相 化学性能指标山，从而提高表面膜和基体结合的 对较高的Mo5Si3,在整个面分布区域内0的含量 稳定性，有利于发热元件在高温下较长时间的使 都比较少，黑色相区隐约可以看到氧的存在，说明 用.元素线分析（图5）结果可以分为三个区域：其 黑色相是氧化物，由此认为黑色相是添加的以氧 最外层是高氧低钼区，说明这层是氧化物玻璃保 化物为主的陶瓷矿物，这和背散射的结果基本一 护膜区域：次外层氧的含量急剧下降，而钼的含量 致 明显升高，硅的含量则有所降低，所以这层应该是 2.3发热元件的性能 高钼低硅区域，可以认为此层以Mo5Si3为主并含 从表1可知，本实验研究的MoSi2发热元件 0-219 的弯曲和压缩强度和Kanthal样品相比还有一定 差距，但是和国内市场上的发热元件相比，却有比 较明显的提高，而其室温断裂韧性比Kanthal样 品具有比较明显的改善，韧性的提高可能源自陶 M6-1245 瓷矿物的存在引起断裂过程中裂纹的偏转和桥接 以及第二相的开裂，它们都将增加裂纹扩展的阻 力，提高断裂韧性·并且实验样品的硬度比其他 样品都高，这两种性能的改善对于样品抗室温冲 图5MSi,发热元件表层元素线扫描照片 击是非常有利的，从密度来看实验样品的理论密 Fig-5 Cross Section and liner distribution of elements of an 度和Kanthal样品比较接近，大约分别为5.64和 MoSi2 heating element 5.66gcm-3左右，而国内样品则大约为5.93 gcm一3，说明国内样品和Kanthal样品的设计还图4 市场购买的发热元件的断口照片 Fig．4 SEM micrograph of the fracture surface of an MoSi2 heating element from market 物的特征有关陶瓷矿物的主要成分为 SiO2 和 Al2O3并含有一定数量的 FeMgKNa 和 Ca 等金属的氧化物其熔点在1200～1400℃之间 1400℃烧结时陶瓷矿物是以液相的形式存在烧 结具有明显的液相烧结的特征． 表面形貌分析发现在发热元件表面形成了一 层大约3μm 厚的保护膜（图5）结合能谱分析 （图6）发现这种保护膜不是单一的 SiO2 保护膜 而是一种含有 MgOCaONa2OAl2O3 的以 SiO2 为主的玻璃保护膜这和艾云龙研究 Kanthal 发 热元件保护膜的成分基本一致［10］．保护膜中 MgOCaONa2O 和 Al2O3 等金属氧化物的存在 虽然使得玻璃保护膜的熔点有所降低但他们可 以协调 SiO2 保护膜的比热容、热导率、热稳定性 玻璃熔体的粘度、表面张力和热膨胀系数等物理 化学性能指标［11］从而提高表面膜和基体结合的 稳定性有利于发热元件在高温下较长时间的使 用．元素线分析（图5）结果可以分为三个区域：其 最外层是高氧低钼区说明这层是氧化物玻璃保 护膜区域；次外层氧的含量急剧下降而钼的含量 图5 MoSi2 发热元件表层元素线扫描照片 Fig．5 Cross Section and liner distribution of elements of an MoSi2heating element 明显升高硅的含量则有所降低所以这层应该是 高钼低硅区域可以认为此层以 Mo5Si3 为主并含 有一定量的 MoSi2；随着进一步向内层扫描氧含 量基本没有什么大的变化而硅的含量在逐渐增 加过渡到一个正常的水平钼的含量经过轻微的 波动之后稍稍有所降低结合低倍能谱分析内层 物质主要为 MoSi2由此说明在通电氧化过程中 MoSi2 发热元件表面会很快发生式（1）的反应表 面生成一层致密的保护膜保护内部材料不被进 一步的氧化．从外向内材料的主要成分依次为玻 璃保护膜、Mo5Si3 和 MoSi2这和 Kanthal 公司产 品的组织结构特征基本一致［4］． 图6 MoSi2 发热元件表面膜的能谱分析 Fig．6 EDS photographs of the surface film composition for an MoSi2heating element 元素面分析表明（图7）Mo 和 Si 在灰色基 体中分布都比较均匀黑色相中没有 Mo而在黑 色相周围白色相中 Mo 的含量比较高但是在白 色相区域 Si 的含量有所降低因此灰色基体为 MoSi2白色相是 Si 含量相对较低而 Mo 含量相 对较高的 Mo5Si3在整个面分布区域内 O 的含量 都比较少黑色相区隐约可以看到氧的存在说明 黑色相是氧化物由此认为黑色相是添加的以氧 化物为主的陶瓷矿物这和背散射的结果基本一 致． 2∙3 发热元件的性能 从表1可知本实验研究的 MoSi2 发热元件 的弯曲和压缩强度和 Kanthal 样品相比还有一定 差距但是和国内市场上的发热元件相比却有比 较明显的提高．而其室温断裂韧性比 Kanthal 样 品具有比较明显的改善韧性的提高可能源自陶 瓷矿物的存在引起断裂过程中裂纹的偏转和桥接 以及第二相的开裂它们都将增加裂纹扩展的阻 力提高断裂韧性．并且实验样品的硬度比其他 样品都高这两种性能的改善对于样品抗室温冲 击是非常有利的．从密度来看实验样品的理论密 度和 Kanthal 样品比较接近大约分别为5∙64和 5∙66g·cm —3左右而国内样品则大约为5∙93 g·cm —3说明国内样品和 Kanthal 样品的设计还 ·666· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第7期