烧成温度和保温时间对AlB2合成的影响

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MgO-C耐火材料是一种优异的耐火材料,具有抗侵蚀性好,其抗热震性强等优点,作为炉衬材料在各类炼钢炉上使用广泛。为了保证MgO-C耐火材料的优异性能,硼化物AlB2作为抗氧化剂添加入MgO-C耐火材料不但能够很好地防止碳的氧化,而且能够提高耐火材料的抗侵蚀及抗热震性,从而保证MgO-C耐火材料的性能;然而目前国内外关于AlB2的制备与研究讨论却很少。本文通过Al-B二元体系的相图研究、扩散动力学模型分析及热力学计算,分析Al-B二元体系的合成理论及物相的转化关系。以Al粉和B粉作为原料,按原子比Al:B=1:2的比例混合均匀,用压力成型机制备6个Φ36的试样。将压制的试样在保护气氛(Ar气)下分别以700℃、800℃、900℃、1000℃的温度烧结并保温6h,以及在800℃下分三个保温时间(2h、4h、6h)烧结试样。最后采用XRD、SEM、EDX、DSC-TG等分析方法,研究不同烧结温度及不同保温时间对合成AlB2的影响和AlB2的显微结构特征,探讨Al粉和B粉反应的物理化学变化。最终确定合成AlB2的最佳合成温度及保温时间。研究结果表明,Al与B的反应Gibbs自由能变化值始终为负值,反应均能发生。随着温度的升高,合成AlB2的反应Gibbs自由能变化值绝对值减小,而AlB2分解为AlB12的反应Gibbs自由能变化值绝对值却逐渐增大。温度的升高不利于AlB2的合成,而是容易分解得到AlB12;而Al和B在700℃时开始有生成AlB2;在800℃温度下反应生成的AlB2衍射强度最大,含量最高;900℃下烧结后的试样几乎不含AlB2相;在温度1000℃下烧结后的试样含有高温相AlB12。扫描电镜观察表明,AlB2是规则的六方结构相。由DSC-TG显示,Al和B按1:2的比例混合在氩气气氛下逐渐加热。当温度为660.5℃时,出现一个吸热峰,是由于Al熔融吸热;Al融化之后,在温度758℃处出现一个明显的放热峰,这是液相Al与B发生化合反应生成AlB2导致,当温度到802℃反应结束。随着烧结温度的不断升高,烧结后试样中AlB2相的衍射强度先增强,然后减弱并消失。在800℃温度下,烧结生成的AlB2相衍射强度最高,AlB2的含量最高;随着保温时间的延长,烧结后试样中AlB2相的衍射强度逐渐增强。保温时间为6h时,合成的AlB2相衍射强度最高,含量最高。综合考虑,Al与B反应合成AlB2的机理为:熔融Al通过表面扩散而布满整个B的表面,在产物AlB2生成之后,反应物Al在产物层中扩散率远大于B,由于化学反应速率远远大于扩散速率,扩散到B界面的反应物Al可马上与B反应生成AlB2。故整个反应速度完全由Al在生成物球壳AlB2中的扩散速率所决定。合成AlB2的最佳工艺参数为800℃温度下保温6h。
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