低温催化氮化反应Sialon（晶须）结合Al2O3-SiC复合材料的结构调控与耐高温性能研究

This project aims at the problems of further strengthening the binding between the matrix and aggregate, and the further improvement of the strength and thermal shock resistance of Sialon-Al2O3-SiC composites applied in clean steel smelting. Based on the transition metal catalyzed technology and the forming and sintering process principle of metal plastic transition phase, the applied basic research on catalytic-nitridation formed Sialon whiskers strengthening/toughening Al2O3-SiC refractories has been proposed using Fe, Co and Ni as catalysts at lower temperature. Effects of different catalysts and their contents as well as different temperature schedule on the formation of Sialon whiskers will be studied, and the formation mechanism of Sialon whiskers by catalytic nitridation reaction discussed. We shall emphatically study the relationship between catalysts and phase structure, mechanical properties, thermal shock stability, oxidation resistance, resistance to molten steel/slag of Sialon (whiskers) bonded Al2O3-SiC composites, so as to understand the functionary mechanism between catalysts and the strength improvement and performance optimization of Sialon (whiskers) bonded Al2O3-SiC composites. This will provide a scientific basis for high performance refractories applied to clean steel smelting.

本项目针对洁净钢冶炼用Sialon结合Al2O3-SiC复合材料存在基质和骨料之间的结合需要强化、材料的强度和抗热震性能需要提高等问题，借助过渡金属催化的技术思想和金属过渡塑性相成型和烧结的工艺原理，提出利用催化剂（Fe、Co、Ni）原位催化低温氮化来实现Sialon纳米晶须强韧化Al2O3-SiC材料的应用基础研究。在热力学和动力学研究的基础上，系统研究催化剂在不同条件下对合成Sialon晶须的影响，揭示原位低温氮化反应Sialon晶须的催化形成机制；重点开展催化剂与原位氮化反应Sialon（晶须）结合Al2O3-SiC复合材料结构、力学性能、抗热震、抗氧化、抗钢水/熔渣侵蚀性能之间关系的研究，寻求催化剂对Sialon（晶须）结合Al2O3-SiC复合耐高温材料强度提高、性能优化的作用机制，为研发得到对钢水起到净化作用的高性能耐火材料提供科学依据。

本项目针对催化氮化反应Sialon结合Al2O3-SiC复合耐火材料存在基质和骨料之间的结合需要进一步强化、材料的强度和抗热震性能需要进一步提高等问题，在纳米新技术和耐高温材料最新研究成果的基础上，借助过渡金属催化的技术思想和金属过渡塑性相成型和烧结的工艺原理，利用催化剂（Fe、Co、Ni）和金属硝酸盐原位催化氮化反应来实现形成Sialon纳米晶须强化Al2O3-SiC复合耐高温材料的应用基础研究。首先通过不同催化剂及其含量在不同温度制度下系统地对Si-Al-Al2O3粉氮化反应产物转化率、物相及形貌的影响，结合差热-热重分析法进行氮化反应动力学研究，探讨了在催化作用下原位氮化反应Sialon纤维的形成机制；然后通过调节催化剂（Fe、Co、Ni）的含量以及工艺参数进行催化氮化反应烧结Sialon耐高温材料的研究，分析了催化剂含量、烧结温度等对产物物相组成、显微结构与力学性能的影响和变化规律，揭示了催化剂在提高Sialon耐高温材料强度的作用机理；随后研究了催化剂（Fe、Co、Ni）及其金属硝酸盐形式对氮化反应形成Sialon纤维结合SiC-Al2O3复合耐高温材料物相、结构、性能（体积密度、常温高温抗折强度、耐压强度）的影响，最后对制备的Sialon结合SiC-Al2O3复合材料分别进行抗热震、抗氧化、抗洁净钢水/熔渣侵蚀性能进行了评价，揭示其与服役环境的相互作用机理。当过渡金属催化剂含量为0.25%-1.0%、硝酸铁含量为0.25%-0.5%时，不但能降低氮化温度，对制备的Sialon（晶须）结合Al2O3-SiC复合材料的综合性能提升最佳。该研究工作能够为开发具有自主知识产权的高性能、长寿命的新一代Sialon（晶须）结合Al2O3-SiC复合耐火材料提供相应理论基础和技术依据。并增加了与该项目相关体系的氮化物、碳化物材料的制备及性能研究，获得了重要的研究成果。共发表学术论文22篇，其中SCI收录19篇，总引用达420余次，ESI高被引论文1篇，授权发明专利4项和实用新型1项，专利权转让1项，获得江西省自然科学奖一等奖1项和中国循环经济科学技术三等奖1项。负责人在陶瓷/耐火材料领域学术会议做分会场主席/主持人5次和邀请报告5次。