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D0I:10.13374/1.issnl00I53.2006.07.012 第28卷第7期 北京科技大学学报 Vol.28 No.7 2006年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2006 陶瓷矿物改性MoSi2发热元件的组织结构和性能 冯培忠)曲选辉) 杜学丽2)崔大伟田建军) 减若愚) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，新金属材料国家重点实验室，北京100083 2)天津理工大学材料科学与工程学院，天津300191 摘要以自蔓延高温合成的MoSi2和陶瓷矿物为原料，通过粉末治金工艺制备了MSi2发热元 件，采用XRD,SEM和EDS等技术分析了MSi2发热元件的微观组织结构和性能，结果表明： MoSi2发热元件的主要成分为MoSi2,MosSi3和陶瓷矿物.加入陶瓷矿物明显活化了MoSi2的烧 结，降低了MoSi2的烧结温度，阻止了MoSi2晶粒的过度长大，使得发热元件具有比较均匀的组织 结构以及较高硬度和断裂韧性.通电氧化可以使MSi2发热元件表面生成一层以SiO2为主的含 有少量Mg0,Ca0,Na20,Al2O3等物质的玻璃相，提高了元件表面保护膜的稳定性. 关键词陶瓷：二硅化钼：发热元件；组织结构：性能 分类号TF125:TQ174 MoSi2以其较高的熔点、极好的高温抗氧化 其工艺一直保密，而其他公司的产品使用性能和 性、适中的密度、较低的热膨胀系数、良好的电热 它都有一定差距，Summer研究了一种可用作发 传导性、可以进行电火花加工(EDM)、无污染和 热材料的M。SiB体系金属间化合物6].Jiang 良好的环境友好性等特性而被认为是一种极具潜 等向MoSi2中添加铝硅酸盐和第二相陶瓷颗粒也 力的高温结构材料3).于是有人提出了一种围 取得了较好的效果7-8)]，近年来，国内外的研究主 绕MoSi2设计的新型硅基复合材料(SMCs)的概 要集中在MoSi2基高温结构材料方面，很少有 念山，但是这种材料却存在室温韧性差、高温强 MoSi2发热元件的报道.因此，本文旨在通过向 度不足以及在500℃左右发生加速氧化，即“pest- MoSi2中添加陶瓷矿物对基体进行改性，研究一 ig”现象三大缺陷，强烈地限制了它作为结构材 种具有比较广泛的使用温度和较长的使用寿命、 料的应用13]，经过近20年的深入研究依然没有 可以对工件进行快速加热冷却热处理的MoSi2基 取得根本性的突破， 复合陶瓷发热元件，以替代Kanthal公司的产品， MoS2最早的应用是作为高温抗氧化涂层， 目前广泛应用于工业电炉和实验室电炉使用的发 1实验 热元件.MoSi2发热元件以其可以生成具有自 将原料粉按原子比Mo:Si=1:2充分混合 愈合性的保护膜，正的电阻温度系数，不老化，可 后，预压成圆柱体，放入专门的自蔓延反应设备 以实现低能耗、快速升温、低维护费用、清洁的环 中，在特定气氛中用钼丝通电点燃合成MSiz[9). 境和稳定的产品的特点，已经成为治金、电子、玻 然后对合成的MoSi2块体进行破碎，球磨至平均 璃、陶瓷和磁性材料等行业的主要设备之一，并在 逐渐替代原来的SiC发热元件[].MoSi2发热 粒径约1.6m左右，添加15%（体积分数）以 SiO2和A1203为主的陶瓷矿物作为增塑剂，混合 元件是由瑞典Kanthal公司发明的，其代表产品 是Kanthal公司生产的Kanthal和Kanthal Super; 均匀后，挤压成直径不等的棒材，将棒材放入石墨 20世纪90年代初Kanthal公司把发热元件的使 舟，在氢气气氛中1400℃左右保温3h进行无压 用温度提高到1900℃；Kanthal公司的产品代表 烧结，对烧结后的试样用快速通电的方法进行二 了当今世界MoSi2发热元件的最高水平1，，但 次成膜处理，然后对粗细不同的棒材进行焊接制 备完整的MoSi2发热元件 收稿日期：2005-04-18修回日期：2005-08-31 选用日本理学(Rigaku)公司Dmax一RB12 基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目(Na.50025412) kW旋转阳极X射线衍射仪分析自蔓延高温合成 作者简介：冯培忠(1976一)，男，博士研究生：曲选辉(1960-)， 男，教授，博士 的粉末和烧结试样的相组成，采用C如靶（入=陶瓷矿物改性 MoSi2 发热元件的组织结构和性能 冯培忠1） 曲选辉1） 杜学丽12） 崔大伟1） 田建军1） 臧若愚1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院新金属材料国家重点实验室北京100083 2） 天津理工大学材料科学与工程学院天津300191 摘 要 以自蔓延高温合成的 MoSi2 和陶瓷矿物为原料通过粉末冶金工艺制备了 MoSi2 发热元 件采用 XRDSEM 和 EDS 等技术分析了 MoSi2 发热元件的微观组织结构和性能．结果表明： MoSi2 发热元件的主要成分为 MoSi2Mo5Si3 和陶瓷矿物．加入陶瓷矿物明显活化了 MoSi2 的烧 结降低了 MoSi2 的烧结温度阻止了 MoSi2 晶粒的过度长大使得发热元件具有比较均匀的组织 结构以及较高硬度和断裂韧性．通电氧化可以使 MoSi2 发热元件表面生成一层以 SiO2 为主的含 有少量 MgOCaONa2OAl2O3 等物质的玻璃相提高了元件表面保护膜的稳定性． 关键词 陶瓷；二硅化钼；发热元件；组织结构；性能 分类号 TF125；T Q174 收稿日期：20050418 修回日期：20050831 基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（No．50025412） 作者简介：冯培忠（1976—）男博士研究生；曲选辉（1960—） 男教授博士 MoSi2 以其较高的熔点、极好的高温抗氧化 性、适中的密度、较低的热膨胀系数、良好的电热 传导性、可以进行电火花加工（EDM）、无污染和 良好的环境友好性等特性而被认为是一种极具潜 力的高温结构材料［13］．于是有人提出了一种围 绕 MoSi2 设计的新型硅基复合材料（SMCs）的概 念［1］．但是这种材料却存在室温韧性差、高温强 度不足以及在500℃左右发生加速氧化即“pesting”现象三大缺陷强烈地限制了它作为结构材 料的应用［13］经过近20年的深入研究依然没有 取得根本性的突破． MoSi2最早的应用是作为高温抗氧化涂层 目前广泛应用于工业电炉和实验室电炉使用的发 热元件［1］．MoSi2 发热元件以其可以生成具有自 愈合性的保护膜正的电阻温度系数不老化可 以实现低能耗、快速升温、低维护费用、清洁的环 境和稳定的产品的特点已经成为冶金、电子、玻 璃、陶瓷和磁性材料等行业的主要设备之一并在 逐渐替代原来的 SiC 发热元件［45］．MoSi2 发热 元件是由瑞典 Kanthal 公司发明的其代表产品 是 Kanthal 公司生产的 Kanthal 和 Kanthal Super； 20世纪90年代初 Kanthal 公司把发热元件的使 用温度提高到1900℃；Kanthal 公司的产品代表 了当今世界 MoSi2 发热元件的最高水平［14］但 其工艺一直保密而其他公司的产品使用性能和 它都有一定差距．Summer 研究了一种可用作发 热材料的 Mo—Si—B 体系金属间化合物［6］．Jiang 等向 MoSi2 中添加铝硅酸盐和第二相陶瓷颗粒也 取得了较好的效果［78］．近年来国内外的研究主 要集中在 MoSi2 基高温结构材料方面很少有 MoSi2 发热元件的报道．因此本文旨在通过向 MoSi2中添加陶瓷矿物对基体进行改性研究一 种具有比较广泛的使用温度和较长的使用寿命、 可以对工件进行快速加热冷却热处理的 MoSi2 基 复合陶瓷发热元件以替代 Kanthal 公司的产品． 1 实验 将原料粉按原子比 Mo∶Si＝1∶2充分混合 后预压成圆柱体放入专门的自蔓延反应设备 中在特定气氛中用钼丝通电点燃合成 MoSi2 ［9］． 然后对合成的 MoSi2 块体进行破碎球磨至平均 粒径约1∙6μm 左右添加15％（体积分数） 以 SiO2 和 Al2O3 为主的陶瓷矿物作为增塑剂混合 均匀后挤压成直径不等的棒材将棒材放入石墨 舟在氢气气氛中1400℃左右保温3h 进行无压 烧结．对烧结后的试样用快速通电的方法进行二 次成膜处理然后对粗细不同的棒材进行焊接制 备完整的 MoSi2 发热元件． 选用日本理学（Rigaku）公司 Dmax—RB 12 kW 旋转阳极 X 射线衍射仪分析自蔓延高温合成 的粉末和烧结试样的相组成采用 Cu 靶（λ＝ 第28卷 第7期 2006年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．7 Jul．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．07．012