Tính chất cacbua silic
Cacbua silic (SiC), còn được gọi là cát carborundum, hiếm khi được tìm thấy trong tự nhiên và thường được sử dụng làm nguyên liệu thô tổng hợp trong công nghiệp. Nó đạt được các đặc tính tuyệt vời về khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn. Nó có hai dạng tinh thể: hình thái nhiệt độ thấp β-SiC, thuộc cấu trúc hình khối, và dạng nhiệt độ cao α-SiC thuộc cấu trúc lục giác. Cacbua silic có hai loại theo màu sắc: cacbua silic xanh và cacbua silic đen.
Mật độ thực của nó là 3,21g / cm3 và nhiệt độ phân hủy (thăng hoa) là 2600oC.
Nó là một vật liệu cứng có độ cứng Mohs là 9,2.
Hệ số giãn nở nhiệt của SiC không đáng kể và hệ số giãn nở nhiệt trung bình của SiC là 4,4 trong khoảng 25oC ~ 1400oC × 10-6/oC.
Hiệu suất của cacbua silic
Cacbua silic có độ dẫn nhiệt cao (58,6W/m · K). Thông thường, hàm lượng SiC càng cao thì nhiệt độ càng thấp và độ dẫn nhiệt càng lớn. Hệ số giãn nở nhiệt thấp và độ dẫn nhiệt cao có thể làm cho vật liệu chịu lửa SiC có độ ổn định sốc nhiệt tốt.
Ở nhiệt độ thấp, tính chất hóa học của cacbua silic tương đối ổn định, có khả năng chống mài mòn và ăn mòn tuyệt vời. Nó cũng có khả năng chống ăn mòn trong axit clohydric sôi, axit sulfuric và axit hydrofluoric. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, nó có thể phản ứng với một số kim loại, muối và khí. Cacbua silic vẫn ổn định trong môi trường khử cho đến 2600oC, nhưng quá trình oxy hóa xảy ra trong môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao:
SiC+2O2 → SiO2+CO2
Ngoài ra, vật liệu cacbua silic là chất không chứa oxit, có liên kết cộng hóa trị mạnh và khả năng thiêu kết kém với oxit.
SiC được sử dụng rộng rãi như một chất phụ gia để cải thiện tính chất vật liệu, đặc biệt là khả năng chống xỉ và ổn định sốc nhiệt, do các ưu điểm của nó như hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn nhiệt cao, độ bền nhiệt độ cao, khả năng chống xỉ tốt và khả năng hình thành oxy hóa bảo vệ.
Vật liệu cacbua silic Cách sử dụng:
Cacbua silic (SiC) trong vật liệu chịu lửa định hình
Trong vật liệu chịu lửa định hình, cacbua silic có thể được sử dụng làm thành phần chính để tạo ra các sản phẩm SiC hoặc làm chất phụ gia để tạo ra các sản phẩm bán SiC.
Vật liệu chịu lửa SiC dùng để chỉ một loại vật liệu chịu lửa tiên tiến có thành phần chính là SiC, được nung từ SiC công nghiệp làm nguyên liệu thô, còn được gọi là sản phẩm SiC. Các sản phẩm SiC có thể được phân loại dựa trên hàm lượng SiC, loại chất kết dính và lượng bổ sung. Hiệu suất của vật liệu phần lớn phụ thuộc vào điều kiện liên kết giữa các hạt SiC trong vật liệu. Vì vậy các sản phẩm SiC thường được phân loại dựa trên loại pha liên kết. Theo các giai đoạn liên kết khác nhau, có các loại gốm silicon cacbua như SiC liên kết oxit, SiC liên kết nitrit, SiC tự liên kết, SiC thiêu kết phản ứng thấm silicon, v.v. Các sản phẩm chịu lửa bán SiC là những sản phẩm có chứa cacbua silic làm chất thứ
cấp hoặc thành phần phụ trợ. Theo các vật liệu khác nhau, có các sản phẩm SiC clinker đất sét, các sản phẩm cacbua oxit nhôm cao và các sản phẩm SiC corundum. Do sự hiện diện của cacbua silic trong các sản phẩm này, độ ổn định sốc nhiệt, độ dẫn nhiệt và độ bền của chúng được cải thiện đáng kể.
Việc thêm một lượng nhỏ cacbua silic vào các sản phẩm SiC clinker đất sét có tác dụng đáng kể trong việc cải thiện độ ổn định sốc nhiệt của sản phẩm. Khi hàm lượng bột mịn SiC trong nguyên liệu tăng lên, độ ổn định sốc nhiệt của sản phẩm dần được cải thiện. Thêm một lượng SiC thích hợp (lượng thích hợp nhất là 30%) vào các sản phẩm có hàm lượng SiC nhôm cao và thêm một lượng axit photphoric thích hợp, sản phẩm có độ ổn định sốc nhiệt cao, độ dẫn nhiệt tốt và độ bền cao. Việc thêm một lượng nhỏ bột mịn SiC vào các sản phẩm corundum SiC có thể cải thiện đáng kể độ ổn định sốc nhiệt của chúng. Khi lượng bột mịn SiC tăng lên, độ ổn định sốc nhiệt thường xuyên tăng lên. Ví dụ, sử dụng corundum màu nâu làm cốt liệu, thêm 10% bột mịn SiC, sử dụng axit photphoric làm chất kết dính, tạo hình bằng áp suất cao và xử lý nhiệt ở 1450oC để sản xuất gạch ray trượt cho lò nung cán thép, hiệu quả ứng dụng là Tốt.
Cacbua silic (SiC) trong vật liệu chịu lửa vô định hình
Trong vật liệu chịu lửa vô định hình, cacbua silic có thể được sử dụng làm thành phần chính để chế tạo vật liệu đúc dựa trên SiC. Nó hoạt động như một chất phụ gia để cải thiện hiệu suất của các vật đúc khác, đặc biệt là về khả năng chống xỉ và ổn định sốc nhiệt. Nghiên cứu về việc cải thiện các đặc tính đúc được bằng SiC chủ yếu tập trung vào các khía cạnh như vật liệu đúc corundum và vật liệu đúc có hàm lượng alumina cao.
Ứng dụng phổ biến nhất của SiC trong vật liệu chịu lửa vô định hình là làm lớp lót làm việc của kênh khai thác lò cao, có lịch sử hơn 20 năm và có hiệu suất tốt. Hiện nay, vật liệu đúc Al2O3-SiC-C được sử dụng rộng rãi trong các lò cao lớn hơn cả trong nước và quốc tế, giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của kênh sắt. Ngoài ra, vật liệu chịu lửa vô định hình có chứa SiC được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sắt thép làm lớp lót cho tiền xử lý kim loại nóng, lò vòm và lò nung cảm ứng; Lớp lót tường bên buồng đốt và lớp lót bảo vệ ống lò hơi của lò đốt rác; Lớp lót lò nung xi măng trong ngành xi măng; Lớp lót phân cách lốc xoáy của nhà máy nhiệt điện, buồng đốt, lớp lót và lớp phân cách nhiệt độ cao của nồi hơi tầng sôi tuần hoàn; Các tấm ván của lò nung cũng như các cửa thoát silicon và nhôm trong ngành gốm sứ.
Tóm lại, việc bổ sung SiC có thể cải thiện độ bền nhiệt độ cao và độ ổn định sốc nhiệt của vật đúc dựa trên Al2O3-SiO2. Tuy nhiên, nghiên cứu về khả năng chống ăn mòn xỉ chì của SiC vẫn chưa được báo cáo.
Nhưng SiC rất dễ phản ứng về mặt nhiệt động với oxy trong không khí. Trong các ứng dụng thực tế, đặc biệt là ở nhiệt độ cao, áp suất oxy thấp và ảnh hưởng lâu dài, tốc độ oxy hóa của SiC rất nhanh.
Thông qua nghiên cứu cấu trúc vi mô của lớp oxy hóa nhiệt độ cao trên bề mặt SiC, người ta thấy rằng lớp oxy hóa được tạo ra bởi vật liệu SiC trong khoảng 1040 ~ 1560oC có các đặc điểm sau về khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao của chúng:
1) Dưới 1360oC, lớp oxy hóa hình thành trên bề mặt hạt SiC rất mỏng. Không có thay đổi đáng kể trong cấu trúc vi mô. Khả năng chống oxy hóa tốt và đang ở giai đoạn ổn định khả năng chống oxy hóa.
2) Khi nhiệt độ vượt quá 1360oC, độ dày của lớp oxit trên bề mặt SiC tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng. Lớp oxit hình thành có nhiều lỗ xốp. Tuy nhiên, do lớp oxit tăng dần nên SiC vẫn thể hiện hiệu quả chống oxy hóa đủ cao. Quá trình này là một giai đoạn chuyển tiếp.
3) Trên 1520oC, độ dày của lớp oxit lớn hơn và bề mặt bên ngoài tương đối phẳng. Tuy nhiên, SiO2 ở trạng thái nóng chảy có tính chảy lỏng mạnh làm cho lớp oxy hóa ở các cạnh, góc của hạt SiC mỏng hơn. Khí từ phản ứng oxy hóa SiC dễ thoát ra và hình thành các lỗ rỗng. Điều đó tạo ra một kênh cho oxy đi vào, đẩy nhanh tốc độ oxy hóa của SiC. Giai đoạn này là giai đoạn oxy hóa nhanh.
4) Không có vùng chuyển tiếp rõ ràng giữa lớp SiO2 hình thành trên bề mặt và nền SiC.
