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非氧化物
在氧化物-非氧化物復(fù)合耐火材料中常用的非氧化物的代表是SiC、Si3N4、SiAlON等幾種。本文針對(duì)Si3N4與SiAlON兩種非氧化物，在此對(duì)這兩種非氧化物進(jìn)行介紹。
1、Si3N4
Si3N4是一種強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，是原子晶體。其基本結(jié)構(gòu)單元是以Si原子和N原子所組成的[SiN4]四面體結(jié)構(gòu)，其中Si原子處于中心位置，4個(gè)N原子分布在Si原子的周圍。3個(gè)四面體結(jié)構(gòu)共用一個(gè)N原子。Si3N4可分為兩種晶體類型，α-Si3N4呈顆粒狀，而β-Si3N4呈長柱狀，兩種晶型都屬于六方晶系。由于α-Si3N4和β-Si3N4在c軸方向上排列方式的差異，α-Si3N4(a=7.7491~7.7572?，c=5.6164~5.6221?)在c軸方向上尺寸相比較于β-Si3N4(a=7.608?，c=2.911?)擴(kuò)大了約1倍。α-Si3N4由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱度低，內(nèi)部應(yīng)變比β-Si3N4大，所以具有較高的自由能，穩(wěn)定性較β-Si3N4差。在1200~1300℃氮化得到的是α-Si3N4，在1455℃氮化得到的是β-Si3N4。而在1550℃下，α-Si3N4會(huì)向β-Si3N4轉(zhuǎn)化，該轉(zhuǎn)化是不可逆的。β-Si3N4相比α-Si3N4具有更高的硬度，長柱狀晶粒對(duì)材料的力學(xué)性能的提高有利。
Si3N4材料具有抗熱震、高溫蠕變小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等多種優(yōu)良性能，因而得到了多方面的應(yīng)用。在鋼鐵冶金中可以用作鑄造容器，在水平連鑄工藝中，Si3N4由于具有一般氧化物耐火材料所不具有的耐侵蝕耐磨損的特點(diǎn)，可以用作連接中間包與結(jié)晶器的耐火部件。除了金屬冶煉工業(yè)外，由于其擁有的優(yōu)良物理與化學(xué)性能，Si3N4在機(jī)械工業(yè)與化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域中也有所應(yīng)用。
2、SiAlON
SiAlON是由Si、Al、O、N所組成的合成詞，根據(jù)其發(fā)音，也被譯為“賽隆”。20世紀(jì)70年代，日本和英國的科學(xué)家在研究氮化硅陶瓷添加劑的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了SiAlON，它是由Al和O固溶在Si3N4中取代原有的Si和N所形成固溶體的通稱，其晶體結(jié)構(gòu)與Si3N4相似，因此得以保留了Si3N4所具有的強(qiáng)度、硬度以及耐熱性，在韌性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性方面更勝Si3N4一籌，并且比Si3N4更易燒結(jié)，因此人們相信性能優(yōu)秀的SiAlON擁有廣闊的發(fā)展前景。
Si-Al-O-NSiAlON的主要類別有β-SiAlON、α-SiAlON、O’-SiAlON等，其中常見的是β-SiAlON和α-SiAlON。
β-SiAlON屬于六方晶系，由于晶粒通常呈現(xiàn)長柱狀故其陶瓷體具有較高的韌性強(qiáng)度。β-SiAlON的通式為Si6-ZAlZOZN8-Z，式中，0 有相類似的結(jié)構(gòu)使得β’-SiAlON擁有了Si3N4陶瓷所具有的物理性質(zhì)上的許多優(yōu)點(diǎn);β-SiAlON中含有大量Al2O3，這使得它的化學(xué)性質(zhì)與其相類似。通式中的Z值對(duì)β-SiAlON的性能有影響，晶胞尺寸會(huì)隨著Z值的增大而增大，進(jìn)而削弱鍵強(qiáng)并使結(jié)構(gòu)松散，β-SiAlON的密度、硬度、熱膨脹系數(shù)等都會(huì)隨之降低。O’-SiAlON是Si2N2O和Al2O3的固溶體，屬于正交晶系。O’-SiAlON的通式是Si2-XAlXO1+XN2-X，式中，0
α-SiAlON是α-Si3N4經(jīng)過取代所形成的固溶體，α-Si3N4中的N和Si被Al和N取代形成Al-N鍵和Al-O鍵，電價(jià)的不平衡由Ca、Mg等金屬陽離子的填隙來補(bǔ)償。α-SiAlON的通式為MXSi12-(m+n)Alm+nOmN16-n，式中，M代表Ca、Mg等金屬陽離子，0≤m≤12，0≤n≤6，m=Kx，x≤2，K表示的是填隙金屬陽離子所具有的化合價(jià)。比較其他種類SiAlON而言，α-SiAlON具有更為優(yōu)秀的耐磨性和硬度。
SiAlON作為結(jié)合相形成的復(fù)合耐火材料得到了廣泛應(yīng)用，例如：因性能大大優(yōu)于剛玉-莫來石和棕剛玉復(fù)合磚，SiAlON結(jié)合剛玉復(fù)合耐火材料已廣泛應(yīng)用在高爐和窯具上。純剛玉材料的熱膨脹系數(shù)大，抗熱震性能較差，而與SiAlON復(fù)合能夠明顯改善剛玉材料的抗侵蝕性和熱震穩(wěn)定性。
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