碳化硅陶瓷范文

导语：如何才能写好一篇碳化硅陶瓷，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词 SiC微孔陶瓷过滤板，孔隙率，烧结温度，成孔剂，玻璃相

1引言

碳化硅主要为共价键化合物，碳化硅结晶中存在呈四面体空间排列的杂化键sp3，sp电子的迁移，使其能量稳定，存在牢固的共价键，从而形成具有金刚石晶体结构的碳化硅[1]。用SiC作骨料制备的微孔陶瓷过滤器，有较高的孔隙率，耐高温、导热率高、导电性好，有优良的抗化学腐蚀性能和冷加工性能[2]。因此，碳化硅微孔陶瓷过滤器可以用于液体和气体过滤、布气材料、催化剂载体[3～5]和吸音材料[6]，还可用作敏感元件[5]、隔膜材料[7]、生物工程材料[8]等。

本文采用多孔陶瓷常用制备方法[9]之一的固态烧结法制备SiC微孔陶瓷，考察烧成温度、成形压力、烧成时间、成孔剂的加入量和玻璃相无机粘结剂的数量等因素对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率及微观结构的影响，从而为制备性能良好的SiC微孔陶瓷过滤器提供理论依据。

2实验

实验仪器有：电子天平、球磨机、万能材料实验机、马弗炉、电炉、电子显微镜。试验所用的原材料有：工业纯的SiC骨料、粘土（18μm）、长石、甲基纤维素和化学纯的Al(OH)3(2μm)。

3结果与讨论

3.1 烧成温度对SiC陶瓷过滤板孔隙率的影响

按配方制备制品，不同烧成温度对SiC陶瓷过滤板孔隙率的影响如图1所示。由图可知，在1200～1300℃范围内随着温度的升高，SiC微孔陶瓷过滤板的孔隙率呈逐渐下降的趋势，下降的幅度为5.5%左右。这是因为粘结剂在约1200℃时开始熔融，较低温度时粘结剂所接触的局部区域出现液相，成孔剂挥发的气体沿坯体内在成形过程中残余的气体通道向表面扩散，形成较多的开口气孔，表现出较高的孔隙率。随着温度的升高，玻化程度提高，同时出现液相，使粘结剂润湿，溶解骨料并与骨料发生作用形成低共熔物，溶于液相中促进烧结。当温度较高时，样品中玻璃相增加，玻璃相的粘度下降，流动性增加，较多地填充空隙，此时，已接近完全烧结阶段，故孔隙率会有所下降。所以，要提高孔隙率，烧结温度不能太高。这样既能保证SiC陶瓷过滤板有一定的强度，又有较高的孔隙率，故选用1300℃作为烧结温度较为恰当。

3.2 成形压力对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率的影响

固定配方在1300℃下烧成并保温3h，研究成形压力对制品性能的影响。

从图2中可以看出，随着成形压力的增大，材料的孔隙率大体上呈下降趋势，由50.0%减小到42.7%。这是因为随着成形压力的提高，坯体致密度相应提高，孔隙率随之减小。在保证制品有一定的强度时，则尽量降低成形压力，成形压力为40kN时为最佳。

3.3 烧成时间对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率的影响

在固定配方、烧成温度与成形压力不变的情况下，探讨烧结保温时间的变化对试样孔隙率的影响。

由图3可以看出：随着保温时间的延长，孔隙率呈微弱的下降趋势。但是孔隙率下降的幅度比较小，保温1h和6h的制品孔隙率仅差2.5%。这主要是因为试样的温度在由室温升至1300℃的过程中，各种反应和变化可以得到充分的进行，故保温时间对样品孔隙率的影响较小。随着保温时间的增加，试样在烧结的过程中将获得更多的能量，使得试样的结构更加致密化，孔隙率减小。

另外，由于实验的成孔剂在300℃左右就会分解，在升温至1300℃并保温的情况下，成孔剂的反应已基本进行完全，不会对制品的孔隙率造成很大的影响。这时，粘结剂随着烧结时间的延长所发挥的作用更大，它使试样内部颗粒连接更加紧密孔隙逐渐变小。综合SiC微孔陶瓷过滤器孔隙率和强度考虑，合适的烧结保温时间为4h。

3.4 成孔剂的加入量对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率的影响

SiC微孔陶瓷过滤器微孔的形成有多种方法，本文主要采用添加成孔剂的方法，使其在烧结之前占位，在烧结过程中发生氧化或分解，从而形成三维相互贯通的微孔。根据实验条件，本试验选用Al(OH)3微粉（2μm）作成孔剂。在SiC骨料和粘结剂的比例保持不变的情况下，仅改变Al(OH)3成孔剂的加入量，按表1中所给出的配方进行配料。

试样先在400℃下保温1h，使Al(OH)3充分分解（Al(OH)3分解温度为300℃，发生反应为：2Al(OH)3 =Al2O3+3H2O）。在1300℃下保温3h，再进行性能测试。从图4中可以发现，随着成孔剂用量的增大，试样的气孔率随之升高。这是因为随着成孔剂含量的增加，其分解反应后在SiC微孔陶瓷过滤器中形成的孔隙也相应增大，故孔隙率上升。但成孔剂量的增加必然会减少颗粒间的结合程度，甚至使骨架成形时难以联成一体而散开解体，影响制品的强度，所以成孔剂的加入量不能过多，实验认为加入16.5%的Al(OH)3较为适宜。

3.5粘土的加入量对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率的影响

在Al(OH)3成孔剂加入量的比例保持不变的情况下，仅改变粘土的加入量，按表2中所给出的配方进行配料。

从图5可以看出：随着粘土加入量的增大，制品的孔隙率呈下降趋势。这是因为在一定范围内，随着粘土的增加，气孔率下降。粘土物料要选择能在980℃左右形成低共熔物，出现液相，将SiC骨料结合起来的物质。

4结论

烧成温度、成形压力、烧成时间、成孔剂的加入量和玻璃相的加入量等对SiC微孔陶瓷过滤板孔隙率及微观结构有着较大的影响。研究发现：随着烧成温度的提高，SiC微孔陶瓷的孔隙率降低，气孔形状呈不规则变化；成形压力的增加和烧成时间的延长则会导致SiC微孔陶瓷孔隙率的减小；随着成孔剂含量的加大，制品的孔隙率变大，而粘结剂含量越大，产品的孔隙率越小。更为优化的制备条件为：烧成温度1300℃、成形压力40kN、烧成时间4h，成孔剂的加入量为16.5%。

参考文献

1 李世普主编.特种陶瓷工艺学[M].武汉工业大学出版社,1990:82

2 姚治才.环境问题与陶瓷[J].咸阳陶瓷研究设计院,1999,1:7～12

3 Bloomfield， et.al. USP5965010, October 12,1999

4 Smojver.USP5690900, November 25,1997

5 陈俊彦译.最新精细陶瓷技术[M].工业调查会编辑部编,中国建筑工业出版社,1986:81

6 张晓霞,山玉波,李伶.多孔陶瓷的制备与应用[J].现代技术陶瓷,2005,4:37～40

7 Nies， et al.USP5650108, July 22,1997

篇2

关键词：碳纳米管；增韧；氮化硅陶瓷；复合材料

碳纳米管主要是由单层或者是多层圆柱石墨片而组成的，所以碳纳米管分为单壁和多壁之分[1]。当前，碳纳米管增韧氮化硅陶瓷作为复合材料，需要人们加大对其的研究力度，进而提升材料的抗热震性能，并加强其材料的应用，使得碳纳米管氮化硅陶瓷复合材料的增韧性有明显提升。

1实验

1.1原料

本次对碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料进行研究过程中，试验原料包含氮化硅（Si3N4）、氧化钇（Y2O3）、氧化铝（Al2O3）、乙醇（C2H2）、石墨纸（C）、氮气（N2）。SiN4是上海硅酸盐研究所生产的，的含量超过85%，而且费氏粒度达到1.2μm，在实验过程中，在碳纳米管内加入浓硝酸和浓硫酸混合液，配比为3：1。在碳纳米管中加入添加剂MgO和CeO2，试样原料的配比具体如表1所示。

1.2工艺流程

实验人员预先对碳纳米管进行处理，按照一定比例予以分配，在塑料筒内将酒精和硬质的合金球加以湿磨处理，磨好后的混合料在干燥的环境下过筛[2]。此外，称取少量的粉末，将其放入石墨模具中，按照设定的烧结工艺其进行烧结，最后，对烧结试样的硬度、密度和韧性等指标予以测量，并利用显微镜对试样断面的显微结构和晶相结构予以分析[3]。在烧结过程中，利用热压烧结方式，以15℃/min的速度将温度分别升至1600℃、1650℃、1700℃、1750℃，保温1h，在氮气保护下，保证压力为30Mpa，然后炉内的温度在自然状态下与室内温度一致。

1.3测试

对试样的测试方法具体如下：密度根据国标GB2413-18，并结合阿基米德定律，测量干燥试样的质量m1，试样吸水饱和质量为m2，在水中的质量为m3，然后代入公式求得试样体积密度ρ0=m1ρ0/（m2-m3），其中，ρ0为室温下液体水的密度，根据室温查有关表查得ρ0值[4]。烧结试样的理论密度计算公式为：1/d=n1/d1+n2/d2+n3/d3......+nm/dm），然后利用排水法测量密度，除以理论密度就能够求得试样的相对密度[5]。测量材料的断裂韧性和硬度需要采用压痕法，本次加载压力为1kg，加载时间为40s，断裂韧性的计算公式为KIC=0.016（E/HV）1/2P/b3/2。式中的Hv是硬度，GPa；E为弹性模量，MPa，P为载荷，N；B为裂纹半长，单位是mm。通过用扫描电镜对断口形貌，在测试时，加速电压为25kV，粉分辨率为6nm。

2结果与讨论

2.1氮化硅陶瓷复合材料的力学性能

通过对碳纳米管进行试验研究表明，当烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，试样的硬度和密度随着碳纳米管的的加入而减少，碳纳米管的加入不利于改善氮化硅陶瓷复合材料性能。烧结温度为1750℃，在碳纳米管中加入0.99%试样，其断裂韧性和硬度最佳，分别为7.47MPa°m1/2和16GPa，与未加入相比，提升了6%。如果碳纳米管的加入量增加时，试样的力学性能下降，氮化硅陶瓷的烧结温度提升[6]。

2.2氮化硅陶瓷复合材料的显微结构

通过对氮化硅陶瓷复合材料结构进行显微观察，晶粒发育比较良好，致密度也很高，而且有细长柱状的β-SiN3和等轴状的α-SiN。

2.3实验结果分析

通过实验结果表明，碳纳米管的作用主要为如下几个方面，第一，能够进行氮化硅陶瓷材料的孔隙，复合材料的致密度低。第二，在烧结过程中，碳纳米管能够阻碍复合材料的融合，降低致密度。如果碳纳米管的含量低，可以被氮化硅粉末分散，达到填充的效果，避免结团；当其含量增加时，致密度下降。如果碳纳米管的加入量少于1%，氮化硅材料的纤维和致密度、硬度都增加；若加入量少于2%，致密度下降，并出现碳纳米管粘连的现象，纤维长径比减小，隔断了氮化硅的连续性。在本次实验中，碳纳米管的最佳加入量为1%。试验的断裂为沿晶断裂，而且碳纳米管分布不均匀，粘结较少，在断口处能将碳纳米管拔出。此外，碳纳米管和氮化硅的热膨胀匹配性较好[7]。

3结束语

在1700℃热压下进行烧结，并配合MgO和CeO2复合烧助剂的使用，能够降低烧结温度，获取高致密度的SiN4制品。烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，碳纳米管增加，但氮化硅陶瓷的相对硬度和密度减少，如果碳纳米管含量为0.99%，则氮化硅陶瓷复合材料的韧性提升6%，如果过度的增加，将起到相反效果。碳纳米管增韧氮化硅复合材料主要靠纤维拔出机制，从而提升氮化硅陶瓷的韧性[8]。

参考文献

[1]王伟礼.氮化硼纳米管的制备及其对氧化铝和氮化硅陶瓷的强韧化作用[D].山东大学，2012.

[2]张蕾.氮化硅及碳化硅陶瓷复合材料高温压缩变形行为的研究[D].哈尔滨工业大学，2010.

[3]余娟丽，李森，吕毅，等.冷冻注凝制备氮化硅陶瓷基耐高温复合材料[J].硅酸盐学报，2015，43（6）：723-727.

[4]王贺云.碳复合氮化硅陶瓷材料的制备与性能研究[D].中国科学院大学，2014.

[5]王灿，王艳莉，詹亮，等.碳纳米管“种子”上生长碳纳米管和氮掺杂碳纳米管[J].新型炭材料，2011，26（2）：81-84.

[6]李根，杨杨.采用两种不同烧结方法制备的氮化硅基纳米复合材料[J].耐火与石灰，2012，37（5）：53-56.

[7]张国富，杨杨.研磨时间对Si3N4纳米复合材料烧结动力学的影响[J].耐火与石灰，2011，36（6）：49-51.

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关键词：碳化硅结合氮化硅 制备方法 反应机理 用途

中图分类号：TB35 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0086-02

氮化硅结合碳化硅制品是近30年发展起来的一种高科技耐火材料。1955年，美国Casrborunduln公司在生产硅酸盐结合碳化硅制品的基础上研制成功，并获得了专利权。1960年日本TKR公司引进美国的此项技术并成功应用[1～2]。

氮化硅和碳化硅均为共价键极强的化合物，有相似的物理和化学性能，在高温状态下仍保持较高的键合强度。硅粉均匀包围碳化硅，经过高温氮化反应，形成致密的网络结构，因此氮化硅结合碳化硅制品具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐冲刷、抗氧化等一系列优异性能[3]，且对氢氟酸以外的所有无机酸都具有良好的抵抗性，不被金属液尤其是非铁金属液润湿，能耐大部分有色金属熔融液的侵蚀[4]。作为高级耐火材料在各种气氛中正常使用温度可达1500 ℃左右，广泛用于陶瓷、有色冶金、钢铁冶金、粉末冶金、化工等行业[5]。

1 氮化硅结合碳化硅制品的主要制备方法

氮化硅的制备方法包括：硅粉直接氮化法、碳热还原二氧化硅法、Si（NH）2热分解法、SiH4和NH3气相反应法。通常情况下，反应烧结氮化硅结合碳化硅制品中氮化硅生成方法为硅粉直接氮化法，高温下通过氮向硅粉粒子内部扩散，化合生成氮化硅[6～7]。

氮化硅结合碳化硅制品制备经过七个步骤：原料处理、配料、混料、成型、干燥、氮化烧成、产品检验[8]。氮化原料主要采用工业用绿碳化硅和硅粉，经破碎、水洗等方法进行原料预处理，根据配方（表1）称量碳化硅砂及硅粉，按要求把不同粒度的碳化硅原料放入混料机内干混，然后加入有机结合剂温混，充分搅拌15～20 min，过筛后，放入料仓进行闷料储存24 h[9]。

将闷好的料准确称量后，均匀放入模具中，振动加压成型，再经真空吸盘转移到储坯车上，放入干燥室内干燥，干燥温度以100℃～120℃为好。干燥过程中应严格控制升温速度，以免坯体出现变形或开裂。坯体一般干燥时间为3天，干燥完成后经精修坯体和生坯检测，合格的进入氮化炉烧成。氮化过程中，当温度升至700℃～1450℃进行抽真空后向氮化炉中充入纯度为99.99%以上的氮气直至反应完成。氮化硅结合碳化硅材料工艺流程如图1所示。

2 氮化硅结合碳化硅反应机理

氮化硅结合碳化硅制品烧结反应过程中，硅与氮气反应生成的氮化硅颗粒结合原始坯体中的碳化硅颗粒（如图2所示），形成氮化硅结合碳化硅制品，其反应方程式为：3Si+2N2=Si3N4[10～12]。

根据吉布斯热力学理论，在恒温恒压及非体积功为零的条件下，封闭系统的状态总是自发的向着吉布斯自由能减少的方向进行，即ΔGT

由表2发现，当温度为1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃、1450 ℃时反应生成的标准吉布斯自由能都为负，反应属于自发反应。也就是说，在氮化反应完成的温度都可以进行[13]。

氮化硅生长过程由Atkinson等学者于1976年提出。反应开始时，氮化硅晶核通过化学吸附形成在硅的表面上，硅与氮气中含有的氧形成SiO蒸气，SiO蒸气又与氮气反应生成α-Si3N4，且沉积在已经形成的晶核上，此过程中解放出来的氧使反应继续循环下去。当周围区域的硅被耗尽之后，在长大的晶核之间就形成凹坑或大的气孔，当表面生成的Si3N4相互连成片后，下面气孔表层上的硅就与氮气隔绝，氮化也就不能继续，这时新的气孔中可能形成新的Si3N4晶核，继续重复以上的氮化过程[17]。

3 氮化硅结合碳化硅制品主要用途

近年来，反应烧结制备氮化硅结合碳化硅制品的研究已获得很大进展，由于碳化硅和氮化硅均具备良好的导热性，致使其在耐火材料及其它行业的应用越来越广泛。此外，烧结形成氮化硅结合碳化硅制品为近尺寸过程，即在材料的制备过程中材料形状和尺寸几乎不变化（烧成收缩率为0.1%～0.5%），这大大有利于制备复杂形状的构件[18]。

3.1 陶瓷行业

我国日用瓷产量居世界首位，采用氮化硅结合碳化硅材质的窑具可明显降低窑具与制品的重量比，节能降耗。近年使用辊道窑烧成日用瓷，采用氮化硅结合碳化硅辊棒提高了其使用寿命；电力行业高电压的发展促进了电瓷业的发展，电瓷和电子陶瓷行业需高温高强度、热稳定性好、使用寿命长、价格适宜的窑具材料，这为Si3N4-SiC窑具提供了广阔的市场；建筑陶瓷行业的迅速发展，特别是这几年产品向高档化、大型化发展的趋势，对辊道窑传动支托辊棒提出了更高要求，浇注成型的Si3N4-SiC烧嘴套管，使用寿命长，且价格适中，已成为许多厂家的首选产品[19]。

3.2 炼铝、铜、锌等行业

氮化硅结合碳化硅砖不受铝液腐蚀的特性及其优异的热性能使其在制铝行业中应用广泛。采用优质氮化硅结合碳化硅材料取代传统的碳素材料在电解槽侧墙上使用已取得显著效益。湖北华盛公司、商丘铝电集团、南山龙口铝业集团等厂家已投入生产中。此外氮化硅结合碳化硅还可作为测温热电偶套管、炼铝熔炼炉炉衬、盛铝液的“包子”内衬、坩埚、输送铝液的泵、管道、阀们、铸铝的模具等[20]。

3.3 炼钢及轧钢行业

氮化硅结合碳化硅耐火材料在炼钢行业中最重要的用途是作为水平连铸的分离环。在水平连铸中，分离环把钢液流分成熔融钢液区和钢液开始凝固区，起着分离钢的液固界面的作用，对保持稳定的钢液凝固起点和铸坯质量起着极大的作用[21]。

4 氮化硅结合碳化硅制品微观结构及性能的影响因素

4.1 氮化硅结合碳化硅制品微观结构

反应烧结形成的氮化硅结合碳化硅制品的微观结构由硅粉与氮气反应生成的氮化硅颗粒结合坯体中的碳化硅颗粒决定[22]。在氮化硅结合碳化硅制品中，氮化硅的存在形式主要有两种相：低温型α-Si3N4和高温型β-Si3N4。一般认为，α相与β相晶体结构均为六方晶系。α-Si3N4在材料中呈纤维状，主要通过气相生成，即Si（g），SiO（g）和N2分子反应。当Fe2O3等杂质存在时，可以降低二氧化硅膜的熔化温度，促使二氧化硅膜破裂，形成液珠，Si与SiO2反应生成气态SiO，SiO、N扩散进液珠，α-Si3N4纤维状晶体在固液界面形成，依附于大颗粒、缺陷等生长。α-Si3N4纤维相互交错，形成致密的网络结构，因此具有更高的机械性能。β-Si3N4一般呈粗大的颗粒状或者短棒状，主要通过液相生成，由气—液反应及α相的溶解、β相的再沉淀生成，反应包括氮气分裂成氮原子，通过液态硅扩散反应进行。图3、图4为α-Si3N4和β-Si3N4微观结构示意图[23～24]。

硅粉的氮化反应从900 ℃开始，1100 ℃以上反应速度急剧增加，反应在1450 ℃近于完成。氮化过程中坯体几乎无变化，Si与N2反应生成Si3N4之后有22%的摩尔质量增加致使氮化硅结合碳化硅制品结构致密。在1100℃～1380 ℃主要生成α-Si3N4，1400 ℃以上主要生成β-Si3N4，在通常氮化制度下是α与β相共存，最后形成α-SiC被α-Si3N4和β-Si3N4结合相所包围的制品。

4.2 氮化硅结合碳化硅制品性能影响因素

硅粉的氮化反应是放热反应，在中高温氮化阶段（指1100 ℃以上），应严格控制反应速度，若速度过快，反应过程中会由于硅的熔化而造成阻塞坯体内通孔，阻碍氮气进一步渗入坯体，造成反应不完全，残留硅较多，从而恶化材料性能。硅的氮化反应速度取决于氮气的扩散速度，而氮气的扩散速度与温度满足。

（DN）α=1.2×10-6exp（-233/RT）m2/s

（DN）β=5.8×10-2exp（-771/RT）m2/s

式中（DN）α为氮气在α-Si3N4中的扩散系数中；（DN）β为氮气在β-Si3N4中的扩散系数；R为气体常数；T为温度。可见随温度升高，反应速率加快，在硅熔点以上比硅熔点以下快的多。在同一温度下，氮化率与时间符合抛物线关系。因此，若氮化温度过低，则反应大大减缓以至于反应不完全。在1180 ℃及1280 ℃两个反应高峰期应增加保温时间，以免反应快速出现“流硅”。在严格控制升温速度同时应保证氮气纯度，氮气纯度应达到99.99%以上。在高温下，Si3N4能被氧气或水蒸气氧化，析出方石英SiO2。此种氧化与温度和材料的致密程度有关，随着时间增长，逐渐在其表面形成的二氧化硅薄膜起保护作用，从而减缓氧化过程。

氮化硅结合碳化硅制品抗折强度随温度升高而提高，至1400 ℃时，强度开始下降，但到1500 ℃时仍保持常温抗折强度指标。氮化硅结合碳化硅材质的高温抗折强度是普通耐火材料的4～8倍，热膨胀系数是高铝耐火材料的一半，导热系数是一般耐火材料的7～8倍。

影响氮化硅结合碳化硅制品性质的因素是多方面的，包括原材料粒度、纯度、颗粒级配、氮气纯度、最终反应温度、硅粉加入量等。碳化硅颗粒的大小和含量对复合材料的韧性和强度影响显著，随着碳化硅粒径的增加，材料的强度先提高后降低。实验证明，将粒度控制在25μm之内可以提高制品的物理性能。硅含量也是影响材料性能的重要因素，当原始坯体中加入硅粉含量约17%时，材料的抗热震性能最好。此外，气孔率对耐火材料也具有一定的影响，Si-SiC生坯密度大于2.4 g/cm3，反应烧结后的材料密度大于2.6 g/cm3，材料的强度和抗热震性均较好。随着材料密度的提高，材料气孔率降低，结构致密，减少材料从表面到内部的氧化通道，对氧化反应能起到一定的延缓和阻碍作用。除此之外，添加剂的类型对碳化硅结合氮化硅制品的性能也有一定的影响，添加Al2O3的耐火材料提高了基质的稳定性和抗侵蚀能力；添加ZrSiO4的耐火材料的抗氧化性能大为改善等。

5 结语

反应烧结氮化硅结合碳化硅耐火材料具有高温强度高，热震稳定性好，高温下抗蠕变性好，导热性高，耐磨且抗高温介质侵蚀性能优良，以及优异的抗金属熔体、抗碱、抗炉渣和腐蚀性气体侵蚀等性能，已广泛应用于炼铁高炉、有色金属冶炼（尤其是铝电解槽）和垃圾焚烧炉等高温工业领域。通过对氮化硅结合碳化硅耐火材料性能影响因素的研究，为制备优良的氮化硅结合碳化硅耐火材料提供了便捷的途径。

参考文献

[1] 肖俊明，刘铭，李志强，等.碳化硅窑具的发展及应用[J].金刚石与磨料磨具工程，1998（2）：43-45.

[2] 张林.Si3N4-SiC材料的生产与应用[J].山东陶瓷，1999，22（1）：11-17.

[3] 陈敏，于景坤，王楠.耐火材料与燃烧材料[M].沈阳：东北大学出版社，2005.

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关键词：陶瓷原料，二氧化硅，测定 

 

1引 言 

 

在传统陶瓷中，sio2是陶瓷坯体的主要化学成分，是硅酸盐形成的骨架，它的存在可以提高陶瓷材料的热稳定性、化学稳定性、硬度、机械强度等，从而直接影响陶瓷产品的生产工艺和使用性能，同时sio2也是各种釉料配方的重要参数。因此，准确测定陶瓷原料中sio2的含量，对陶瓷和釉料生产非常重要，它关系到原材料的用量、产品的质量和性能等。 

不同的陶瓷原料，其sio2的含量不同，测量方法也有多种。本文对陶瓷原料中sio2的常见检测方法逐一作了介绍。 

 

2氢氟酸挥发法 

 

2.1 硫酸-氢氟酸法 

当试样中的sio2含量在98%以上时，可采用此法。具体方法如下：将测定灼烧减量后的试料加数滴水湿润，然后加硫酸（1+1）0.5ml，氢氟酸（密度1.14g/cm3）10ml，盖上坩埚盖，并稍留有空隙，在不沸腾的情况下加热约15min，打开坩埚盖并用少量水洗二遍（洗液并入坩埚内），在普通电热器上小心蒸发至近干，取下坩埚，稍冷后用水冲洗坩埚壁，再加氢氟酸（密度1.14g/cm3）3ml并蒸发至干，驱尽三氧化硫后放入高温炉内，逐渐升高至950～1000℃，灼烧1h后，取出置于干燥器中冷至室温后称量，如此反复操作直至恒重。二氧化硅含量的计算公式如下： 

sio2（%）=（m1-m2）/m ×100 

式中： 

m1 —— 灼烧后坩埚与试料的质量，g 

m2 —— 氢氟酸处理后坩埚的质量，g 

m —— 试料的质量，g 

2.2硝酸-氢氟酸法 

当试样中的sio2含量大于95%而小于或等于98%时，可采用此方法。具体如下： 

（1） 将试料置于铂坩埚中，加盖并稍留缝隙，放入 1000～1100℃高温炉中，灼烧1h。取出，稍冷，放入干燥器中冷至室温，称量。重复灼烧，称量，直至恒重。 

（2） 将坩埚置于通风橱内，沿坩埚壁缓慢加入3ml硝酸、7ml氢氟酸，加盖并稍留缝隙，置于低温电炉上，在不沸腾的情况下，加热约30min（此时试液应清澈）。用少量水洗净坩埚盖，去盖，继续加热蒸干。取下冷却，再加5ml硝酸、10ml氢氟酸并重新蒸发至干。 

（3） 沿坩埚壁缓缓加入5ml硝酸蒸发至干，同样再用硝酸处理两次，然后升温至冒尽黄烟。 

（4）将坩埚置于高温炉内，初以低温，然后升温至1000～1100℃灼烧30min，取出，稍冷，放入干燥器中冷至室温，称量。重复灼烧，称量，直至恒重。二氧化硅含量的计算公式如下： 

sio2（%）=[（m1-m2）+（m3-m4）]/m×100 

式中： 

m1——试料与坩埚灼烧后的质量，g 

m2——氢氟酸处理并灼烧后残渣与铂坩埚的质量，g 

m3——试剂空白与铂坩埚的质量，g 

m4——测定试剂空白所用铂坩埚的质量，g 

m ——试料的质量，g 

 

3重量-钼蓝光度法 

 

重量-钼蓝光度法所测定的范围是sio2含量小于95%。具体如下： 

（1） 对可溶于酸的试样，可直接用酸分解；对不能被酸分解的试样，多采用na2co3作熔剂，用铂坩埚于高温炉中熔融或烧结之后酸化成溶液，再在水浴锅上用蒸发皿蒸发至干，然后加盐酸润湿，放置一段时间后，加入动物胶，使硅酸凝聚，搅匀，放置5min，用短颈漏斗、中速滤纸过滤、滤液用250ml容量瓶承接。将沉淀全部转移到滤纸上，并用热盐酸洗涤沉淀2次，再用热水洗至无氯离子。 

（2） 将沉淀连同滤纸放到铂坩埚中，再放到700℃以下高温炉中，敞开炉门低温灰化，待沉淀完全变白后，开始升温，升至1000℃～1050℃后保温1h取出，稍冷即放入干燥器中，冷至室温，称量。重复灼烧，称量，直至恒重。 

（3） 加数滴水润湿沉淀，加4滴硫酸、10ml氢氟酸，低温蒸发至冒尽白烟。将坩埚置于1000～1050℃高温炉中灼烧15min，取出稍冷，即放入干燥器中，冷至室温，称量。重复灼烧，称量，直至恒重。 

（4） 加约1g熔剂到烧后的坩埚中，并置于1000～1050℃高温炉中熔融5min，取出冷却。加5ml盐酸浸取，合并到原滤液中，用水稀释到刻度，摇匀。此溶液为试液a，用于测定残余二氧化硅、氧化铝、氧化铁和二氧化钛。 

（5） 用移液管移取10ml试液a于100ml容量瓶中。加入10ml水、5ml钼酸铵溶液，摇匀，于约30℃的室温或温水浴中放置20min。 

（6） 加入50ml乙二酸-硫酸混合溶液，摇匀，放置0.5～2 min，加入5ml硫酸亚铁铵溶液，用水稀释至刻度，摇匀。 

（7） 用10mm吸收皿，于分光光度计690nm处，以空白试验溶液为参比测量其吸光度。二氧化硅的值由绘制的工作曲线上查得。二氧化硅含量的计算公式如下： 

sio2（%）=[m1-m2+m3(v/v1)-(m4-m5)]/m×100 

式中： 

m1 —— 氢氟酸处理前沉淀与坩埚的质量，g 

m2 —— 氢氟酸处理后沉淀与坩埚的质量，g 

m3 —— 由工作曲线查得的二氧化硅量，g 

m4 —— 氢氟酸处理前空白与坩埚的质量，g 

m5 —— 氢氟酸处理后空白与坩埚的质量，g 

v1 —— 分取试液的体积，ml 

v —— 试液总体积，ml 

m —— 试料的质量，g 

4氟硅酸钾容量法 

 

重量-钼蓝光度法的准确度较高，但对于一些特殊样品，如萤石caf2，由于含有较大量的氟，会使试样中的si以sif4形式挥发掉，不能用重量法测定。还有重晶石以及锆含量较高的样品、钛含量较高的样品，在重量法的条件下形成硅酸的同时，会生成其它沉淀，夹杂在硅酸沉淀中。所以这些特殊

样品不能用重量法测定，可用氟硅酸钾容量法来测定sio2的含量。

氟硅酸钾容量法是将试样用碱熔融，不溶性酸性氧化物二氧化硅转变成可溶性的硅酸盐，加酸后生成游离的硅酸，在过量的氟离子和钾离子存在下，硅酸与氟离子作用形成氟硅酸离子，进而与钾离子作用生成氟硅酸钾沉淀。该沉淀在热水中会水解生成氢氟酸，用氢氧化钠标准溶液滴定，由消耗的氢氧化钠标准溶液的体积计算二氧化硅的含量。应用该分析方法时应严格控制分析条件，具体应注意以下几点： 

（1） 样品的处理是先用氢氧化钠熔融，然后用水浸取，再加盐酸酸化，然后得到样品溶液。当样品中铝、钛含量较高时，为防止氟铝酸钠和氟钛酸钠沉淀的生成，可用氢氧化钾代替氢氧化钠。氢氟酸挥发法历来被认为是赶硅的一种方法，但实践证明，在一定的条件下，四氟化硅和氢氟酸能共处于同一溶液中，因此，在溶解过程中，只要控制一定的体积，硅即以氟硅酸的形式留在溶液中，从而可测定硅的含量。 

（2） 为了保证硅的沉淀完全，加入氟化钾和氯化钾的量应过量。但氟化钾和氯化钾的量若过大，则当样品中的铝、钛含量较高时干扰情况比较严重。一般在铝、钛含量不高时，50ml溶液加氟化钾1.5～2.0g；而铝、钛含量较高时加1～1.5g。氯化钾的加入量还与沉淀时的温度有关。20℃时，50ml溶液加8g氯化钾；高于25℃则需加入10g以上。 

（3） 沉淀时为减少沉淀的溶解和沉淀的洗涤困难，温度应低于30℃，体积不大于50ml，沉淀应在放置15min后过滤。 

（4） 测定的干扰一般来自铝、钛，对高铝和高钛的试样可加入氯化钙、过氧化氢、草酸铵、草酸和熔样用的氢氧化钾来代替氢氧化钠、用硝酸代替盐酸作介质的方法来消除干扰。 

氟硅酸钾容量法具有快速、准确、精密度高的特点，因此广泛应用于陶瓷生产中的控制分析。 

 

5比 色 法 

 

当试样中的sio2含量在2%以下时，为了得到较准确的检测结果，宜用比色法测定。比色法有硅钼黄和硅钼蓝两种。硅钼黄法基于单硅酸与钼酸铵在适当的条件下生成黄色的硅钼酸络合物（硅钼黄）；而硅钼蓝法把生成的硅钼黄用还原剂还原成蓝色的络合物（硅钼蓝）。在规定的条件下，由于黄色或蓝色的硅钼酸络合物的颜色深度与被测溶液中sio2的浓度成正比，因此可以通过颜色的深度测得sio2的含量。硅钼黄法可以测出比硅钼蓝法含量较高的sio2，而后者的灵敏度却远比前者要高，因此在一般分析中，对少量sio2的测定都采用硅钼蓝比色法。硅钼蓝比色法有两种，一种是用1，2，4-酸（1-氨基-2-萘酚-4-磺酸）作还原剂，另一种是用硫酸亚铁铵作还原剂，具体操作如下： 

1，2，4-酸还原法：该方法是将试样分解后，在一定酸度的盐酸介质中，加钼酸铵使硅酸离子形成硅钼杂多酸，用1，2，4-酸还原剂将其还原成钼蓝，在分光光度计上于波长700nm处测量其吸光度。 

硫酸亚铁铵还原法：该方法是将试样用碳酸钠-硼酸混合熔剂熔融，并用稀盐酸浸取。在约0.2mol/l盐酸介质中，单硅酸与钼酸铵形成硅钼杂多酸；加入乙二-硫酸混合酸，消除磷、砷的干扰，然后用硫酸亚铁铵将其还原为硅钼蓝，于分光光度计波长810nm或690nm处，测量其吸光度。该方法可以测出比1，2，4-酸还原法含量较高的sio2。 

比色法测定sio2对溶液的酸度和溶液温度有严格的要求，否则得不到准确的测量结果。 

6 硅酸钙沉淀edta滴定法 

 

该法是让硅酸在ph=10时与钙生成硅酸钙沉淀，沉淀用已知过量的edta溶解，过量的edta用标准钙溶液回滴，用k-b指示剂指示终点，由加入的edta量和钙标准溶液的消耗量来计算二氧化硅的含量。应用该法分析时应注意以下问题： 

（1） 干扰离子较多，一般共存的铁、铝、钛均会干扰测定，可采用邻二氮菲和三乙醇胺来联合掩蔽。 

（2） 由于硅酸钙沉淀的溶解度较大，为保证沉淀完全，沉淀时体积应较小，而且ph控制为10。 

（3） 为使沉淀完全应加入sio32-量60～80倍的氯化钙，沉淀时应遵循“热、浓、快”的原则，以便得到较紧密的硅酸钙沉淀。 

（4） 洗涤应选用ph=10的氨水-氯化铵缓冲溶液，为减少洗涤时硅酸钙的损失，应尽可能减少洗涤剂的用量。 

硅酸钙沉淀法操作方便，熔样可采用镍坩埚进行，滴定过程可在普通烧杯中进行。虽然在准确度和精密度方面仍有待进一步改进，但此法在厂矿的控制分析中是一种值得推广的分析方法。 

 

7 结 语 

 

陶瓷原料中sio2的测定方法有多种，检测时应根据待测试样的具体特点来选用合适的方法，这样才能得到准确的测定结果。 

 

参考文献 

1 杨东辉. 长石中二氧化硅含量的测定[j].中国陶瓷，2006，5：55～56 

2 武汉大学主编. 分析化学（第3版）[m].北京：高等教育出版社，1995 

3 李硕等.gb/t 4734-1996.陶瓷材料及制品化学分析方法 

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一、结构陶瓷同金属材料相比,陶瓷的最大优点是优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐高温氧化、耐磨损、比重小(约为金属的1/3),因而在许多场合逐渐取代昂贵的超高合金钢或被应用到金属材料根本无法胜任的场合,如发动机气缸套、轴瓦、密封圈、陶瓷切削刀具等。结构陶瓷可分为三大类:氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和玻璃陶瓷。

1、氧化物陶瓷主要包括氧化铝、氧化锆、莫来石和钛酸铝。氧化物陶瓷最突出优点是不存在氧化问题,原料价格低廉,生产工艺简单。氧化铝和氧化锆具有优异的室温机械性能,高硬度和耐化学腐蚀性,主要缺点是在1000℃以上高温蠕变速率高,机械性能显著降低。氧化铝和氧化锆主要应用于陶瓷切削刀具、陶瓷磨料球、高温炉管、密封圈和玻璃熔化池内衬等。莫来石室温强度属中等水平,但它在1400℃仍能保持这一强度水平,并且高温蠕变速率极低,因此被认为是陶瓷发动机的主要候选材料之一。上述三种氧化物也可制成泡沫或纤维状用于高温保温材料。钛酸铝陶瓷体内存在广泛的微裂纹,因而具有极低的热膨胀系数和热传导率。它的主要缺点是强度低,无法单独作为受力元件,所以一般用它加工内衬用作保温、耐热冲击元件,并已在陶瓷发动机上得到应用。

2、非氧化物陶瓷主要包括碳化硅、氮化硅和赛龙(SIALON)。同氧化物陶瓷不同,非氧化物陶瓷原子间主要是以共价键结合在一起,因而具有较高的硬度、模量、蠕变抗力,并且能把这些性能的大部分保持到高温,这是氧化物陶瓷无法比拟的。但它们的烧结非常困难,必须在极高温度(1500～2500℃)并有烧结助剂存在的情况下才能获得较高密度的产品,有时必须借助热压烧结法才能达到希望的密度(>95%),所以非氧化物陶瓷的生产成本一般比氧化物陶瓷高。这些含硅的非氧化物陶瓷还具有极佳的高温耐蚀性和抗氧化性,因此一直是陶瓷发动机的最重要材料,目前已经取代了许多超高合金钢部件。现有最佳超高合金钢的使用温度低于1100℃,而发动机燃料燃烧的温度在1300℃以上,因而普遍采用高压水强制制冷。待非氧化物陶瓷代替超高合金钢后,燃烧温度可提高到1400℃以上,并且不需要水冷系统,这在能源利用和环保方面具有重要的战略意义。非氧化物陶瓷也广泛应用于陶瓷切削刀具。同氧化物陶瓷相比,其成本较高,但高温韧性、强度、硬度、蠕变抗力优异得多,并且刀具寿命长、允许切削速度高,因而在刀具市场占有日益重要地位。它的应用领域还包括轻质无陶瓷轴承、密封件、窑具和磨球等。

3、玻璃陶瓷玻璃和陶瓷的主要区别在于结晶度,玻璃是非晶态而陶瓷是多晶材料。玻璃在远低于熔点以前存在明显的软化,而陶瓷的软化温度同熔点很接近,因而陶瓷的机械性能和使用温度要比玻璃高得多。玻璃的突出优点是可在玻璃软化温度和熔点之间进行各种成型,工艺简单而且成本低。玻璃陶瓷兼具玻璃的工艺性能和陶瓷的机械性能,它利用玻璃成型技术制造产品,然后高温结晶化处理获得陶瓷。工业玻璃陶瓷体系有镁-铝-硅酸盐、锂-镁-铝-硅酸盐和钙-镁-铝-硅酸盐系列,它们常被用来制造耐高温和热冲击产品,如炊具。此外它们作为建筑装饰材料正得到越来越广泛的应用,如地板、装饰玻璃。

二、陶瓷基复合材料复合材料是为了达到某些性能指标将两种或两种以上不同材料混合在一起制成的多相材料,它具有其中任何一相所不具备的综合性能。陶瓷材料的最大缺点是韧性低,使用时会产生不可预测的突然性断裂,陶瓷基复合材料主要是为了改善陶瓷韧性。基于提高韧性的陶瓷基复合材料主要有两类:氧化锆相变增韧和陶瓷纤维强化复合材料。氧化锆相变增韧复合材料是把部分稳定的氧化锆粉末同其他陶瓷粉末(如氧化铝、氮化硅或莫来石)混合后制成的高韧性材料,其断裂韧性可以达到10Mpam1/2以上,而一般陶瓷的韧性仅有3Mpam1/2左右。这类材料在陶瓷切削刀具方面得到了非常广泛的应用。纤维强化被认为是提高陶瓷韧性最有效和最有前途的方法。纤维强度一般比基体高得多,所以它对基体具有强化作用;同时纤维具有显著阻碍裂纹扩展的能力,从而提高材料的韧性。目前韧性最高的陶瓷就是纤维强化的复合材料,例如碳化硅长纤维强化的碳化硅基复合材料韧性高达30Mpam1/2以上,比烧结碳化硅的韧性提高十倍。但因为这类材料价格昂贵,目前仅在军械和航空航天领域得到应用。另一引人注目的增强材料是陶瓷晶须。晶须是尺寸非常小但近乎完美的纤维状单晶体,其强度和模量接近材料的理论值,极适用于陶瓷的强化。目前这类材料在陶瓷切削刀具方面已经得到广泛应用,主要体系有碳化硅晶须-氧化铝-氧化锆、碳化硅晶须-氧化铝和碳化硅晶须-氮化硅。

三、功能陶瓷功能陶瓷是具有光、电、热或磁特性的陶瓷,已经具有极高的产业化程度。下面根据性能对几类主要的功能陶瓷作一简介。

1、导电性能陶瓷材料具有非常广泛的导电区间,从绝缘体到半导体、超导体。大多数陶瓷具有优异的电绝缘性,因而被广泛用于电绝缘体。半导体分为电子型和离子型半导体。以晶体管集成电路为代表的是电子型半导体。离子型半导体仅对某些特殊的带电离子具有传导作用,最具有代表性的是稳定氧化锆和β-氧化铝。稳定氧化锆仅对氧离子具有传导作用,主要产品有氧传感器(主要用来测定发动机的燃烧效率或钢水中氧浓度)、氧泵(从空气中获得纯氧)和燃料电池。β-氧化铝仅对钠离子具有传导作用,主要用来制造钠-硫电池,其特点是高效率、对环境无危害和可以反复充电。陶瓷超导体是近10年才发展起来的,它的临界超导转化温度在所有类超导体中最高,已经达到液氮温度以上。典型的陶瓷超导体为钇-钡-铜-氧系列材料,已经在计算机、精密仪器领域得到广泛应用。

2、介电性能大多数陶瓷具有优异的介电性能,表现在其较高的介电常数和低介电损耗。介电陶瓷的主要应用之一是陶瓷电容器。现代电容器介电陶瓷主要是以钛酸钡为基体的材料。当钡或钛离子被其他金属原子置换后,会得到具有不同介电性能的电介质。钛酸钡基电介质的介电常数高达10000以上,而过去使用的云母小于10,所以用钛酸钡制成的电容器具有体积小、电储存能力高等特点。钛酸钡基电介质还具有优异的正电效应。当温度低于某一临界值时呈半导体导电状态,但当温度超过这一临界值时,电阻率突然增加到103～104倍成为绝缘体。利用这一效应的产品有电路限流元件和恒温电阻加热元件。许多陶瓷,如锆钛酸铅,具有显著压电效应。当在陶瓷上施加外力时,会产生一个相应的电信号,反之亦然,从而实现机械能和电能的相互转换。压电陶瓷用途极其广泛,产品有压力传感元件、超声波发生器等。

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（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜宾 644000）

【摘要】通过论述新型螺杆泵机械密封材料选择、机封的密封方案、螺杆间距的试验证明：试验所选择的方案能满足生产的需要。

关键词 螺杆泵；机械密封；碳化硅

0引言

我单位使用的老式螺杆泵流量小，不能完全满足生产的需要且易坏造成生产效率相对较低，统计数据：平均3天损坏一台。为节约成本、提高生产效率，为此，开展新型螺杆泵的研制。

1螺杆泵的工作原理

双螺杆泵是一种容积式泵，由主螺杆和从动螺杆相互啮合，在泵可内形成若干彼此相隔的密封腔，使吸入腔与排出腔隔开。螺杆旋转时，吸入腔容积产生变化，将输送的物料吸入腔内，各密封腔带着输送的物料轴向移动。物料由吸入口连续均匀地被推至排出口，完成物料的输送。泵出口的高压和进口处的低压使靠螺杆之间、螺杆与泵壳之间极小的间隙造成的阻力来维持。间隙过大或因磨损而将使物料大量倒流，造成压力降低，流量减少，使泵的能力下降。

新型螺杆泵选用双螺杆泵卧式、两侧吸入、中间吐出的结构，密封形式采用机械密封，减少物料的泄漏，更换容易，延长泵的工作寿命。

2生产现状

现在使用的螺杆泵为填料密封，泵的密封性能差，容易造成贮槽积液和泄漏，影响生产正常运行；螺杆泵接触面极易损坏，平均3天损坏一台。所以提高流量解决泄漏和提高泵额寿命是当务之急。

3准备工作

老式螺杆泵为填料密封，经过调研知机械密封的泄漏量为调料密封的1/100（机械密封为3ml/h）[1]。所以选定机械密封为新型泵的密封形式。

4泵试验

4.1密封材料优选试验

4.1.1材料的选择

目前用于机械密封的材料有石墨、碳化硅、硬质合金、陶瓷、不锈钢、丁晴-400型圈、乙丙胶、氟橡胶、聚四氟乙烯、氮化硅、氧化铝、碳化钛等材料[1]。

对选择的密封材料进行物料影响试验。试验是在12个2L的容器中进行的，每个容器中都装有相同的0.5L溶液，再装1L的二次水，每个容器中分别放入大小相同的不同的密封材料，放入后对每个容器进行搅拌，隔一定时间取样分析，其试验结果见表1（试验是在常温下进行的）：

从表1可以看出，只有石墨、硬质合金、不锈钢等对物料有明显反应。因此，石墨、硬质合金、不锈钢不适合新型泵的需要。不采用石墨、硬质合金和不锈钢材质作密封材料。

陶瓷比较脆弱，考虑到物料的性能，不宜采用。丁晴、乙丙胶、氟橡胶、聚四氟乙烯等材料多用作填料密封，不耐磨，业不适合机械密封使用[1]。

经过初步分析，拟采用碳化硅、氮化硅、氧化铝和碳化钛作为试验材料。

4.1.2试验材料的物化性能

1）碳化硅的物化性能

在重载下具有良好的耐磨性和减磨性，热导率高，抗震性能良好，弹性模量大及良好的化学稳定性、高熔点、高硬度，具有低的热膨胀系数。

同时采用不同烧结形式，将会获得不同的物理性能，以适应工况要求。

2）氮化硅的物化性能

具有高温稳定性、抗热震性、化学稳定性和良好的电绝缘性及质硬性。对于浓硫酸和浓氢氧化钠作用也缓慢。

3）氧化铝的物化性能

两性氧化物，化学性质稳定，不溶于水微溶于碱和酸，易烧结。

4）碳化钛的物化性能

化学性质稳定，不溶于水，耐酸性强，硬度高，弹性模量大。

4.1.3试验内容

试验中对机械密封的动环材料的选择有以下四种方案：

方案1：动、静环材料为碳化硅（整体）；

方案2：动、静环材料为氮化硅（整体）；

方案3：动、静环材料为氧化铝（99%）；

方案4：动、静环材料为碳化钛（整体）。

试验是在老式泵上进行，机封型号及规格为HM-35，就上诉四种方案进行试验。试验是在协作单位进行的，数据见表2：

从表2可以看出，方案1的试验结果效果最好。动、静环材质采用碳化硅。

为进一步验证方案1的可行性，对所选的机械密封材质和结构由协作配套单位进行试验，试验结果见表3：

该机械密封材质按JB/T8091-98标准执行进行测试，按JB/T53302-94标准进行判定，该材料完全满足需要。

4.2密封材料结构方式优选试验

经过调研比较，了解到有三种机械密封形式适合螺杆泵的需求。

机械密封机构的三套方案分别为：

方案Ⅰ[2]：单端面、内装式非平衡型机封，采用腔体（介质入口）母液内冲洗冷却。

方案Ⅱ[2]：单端面、内装式非平衡型机封，采用外接（介质入口）母液内冲洗冷却。

方案Ⅲ[2]：单端面、外装式平衡型机封，采用外接冲洗冷却。

这三套方案可以通过做实验来证明哪一种密封方式适合生产的需要。

经过理论分析：选择方案Ⅰ的机械密封型式进行密封泄漏试验。

方案Ⅰ：单端面、内装式非平衡型机封，采用腔体（介质入口）母液内冲洗冷却。

选定方案后，请协作配套单位进行机械设计加工。加工制作的密封件经过专业部门检验，全部符合JB4236-86标准。

为验证机械密封件性能，请协作配套单位进行相应试验。机械密封经过二十于次的性能测试，没发现任何泄漏。

4.3螺杆间距的优选试验

以现有泵的轴径基础上，不改变泵腔的内部尺寸，适当增加轴径，用选定的机械密封作为密封件进行试验真机试验。真机共制作了四台，分别叫1#机、2#机、3#机、4#机。

请协作配套单位进行相应试验，试验数据见表4：

从表4的实验数据可以看出，2#机流量、扬程偏低，不能满足生产的需要，而4#机的流量为7.022时，扬程为150米，轴功率为5.426Kw，由于电机不能满足生产现场的需要（设计时完全按照生产现场的电机功率设计的），因此实可能使电机过载，次方案部可行。而3#机的性能经过多次测试，表明其性能参数能够满足新型螺杆泵的性能要求，即流量为6.5～7.5m3/h，扬程为110～140m。因此我们把流量为7m3/h，扬程为120m确定为泵的设计点，进行设计。

为了进一步掌握新型螺杆泵的螺杆与壁厚（外壳与内腔工作面）的间距对流量、扬程的影响，又进一步进行如下试验。

径向（直径）间隙3#机进行性能测试，试验后分别磨削螺杆外径，使间距由小到大（0.04～0.15mm），以确定间距的影响。其试验结果见表5：

试验表明,当间距控制中0.06～0.08mm时，新型螺杆泵的能能最佳，而最佳点又为0.07mm。

5结论

通过一些列试验，掌握了新型螺杆泵外径及间距与流量、扬程的关系。试验结果表明用3#机：单端面、内装式非平衡型机封，采用采用腔体（介质入口）母液内冲洗冷却；机械密封的动、静环均采用碳化硅；螺杆间距为0.07mm时的螺杆泵可以满足生产的要求。

参考文献

［1］机械设计手册(3)[M].2版.机械工业出版社,2000.6.

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关键词：热残余应力；屈服强度；塑性

大家都知道，热残余应力是由基体与增强体之间的热膨胀率不同所引起的，它对碳化硅铝基复合材料塑性产生了重大的影响。由于热残余应力的存在而降低了材料弹性屈服强度，从而大大地限制了复合材料在一些精细结构部件上的应用。研究表明，基体中的平均热残余应力与基体和增强体之间的膨胀率及温度成正比。

在目前的研究中，经过淬火之后的铝基复合材料在80℃等温处理表明，基体的蠕变发生在热残余应力变化的过程中。实验所用的材料是碳化硅晶和商业的纯铝，材料是用挤压铸造技术制备的，其中碳化硅的体积分数为20%。实验过程中为防止第二相的出现及TRS和位错对碳化硅铝基复合材料塑性的影响，一般选择纯铝作基体。为了在基体中获得高密度的位错，材料在600℃保温两小时，然后放到水中淬火到室温。经过淬火之后，试样在80℃下进行几次等温处理，再放到空气中冷却，最长的保温时间为500小时。TRSC的处理温度选在80℃主要是基于以下几个原因：复合材料在100℃以上处理一段时间，碳化硅铝基复合材料基体的回复程度比较高，而位错密度比较低。当TRSC处理的温度降低时，基体的蠕变过程很难发生。如果想延长复合材料基体强化的处理时间，TRSC处理温度应该远远低于复合材料的强化温度。这个方法用于检测复合材料基体热残余应力和位错密度。在Ref的实验中,所检测到精确的热残余应力为15Mpa，在未来的检测热残余应力趋势中将会有其一席之地。位错密度可以用Ref实验中所用的X射线方法检测出。进行X射线衍射实验时使用铜的特征谱线，实验时用40kV的电压和40mA的电流。基体当中的热残余应力和位错随着TRSC处理时间的变化，随着热残余应力蠕变处理的时间的增长，复合材料基体中热残余应力也在减少，表明热残余应力蠕变是减少复合材料中热残余应力的一种有效方法。TRSC处理前复合材料基体中位错存在的状态：高密度的、网状的、多角度的分布在基体之中，这一结果和先前所研究的情况相吻合。当然这种高密度的位错可以明显提高基体和复合材料的强度。实验表明：在80℃进行TRSC处理可以有效地减少热残余应力，同时在碳化硅铝基复合材料的基体当中也可以获得高密度的位错；脱臼密度依赖性SiCw/Al综合在保留时间。在80℃下对铝基复合材料进行TRSC处理后，对基体进行显微组织观察，发现基体的回复主要是在碳化硅铝基复合材料界面处。因为TRSC处理温度远远低于铝的回复温度，基体的回复是由高的残余应力蠕变引起的。由于基体中热残余应力分布较少，因而很容易理解回复和蠕变过程发生在界面处。

当复合材料从高温向低温降低时，位错会发生两个变化：一是由于热残余应力的释放，位错发生了遗传；二是回复和再结晶导致了位错的释放。因而最终的位错状态取决于以上两个过程的变化。淬火后的冷却速率过快，以至于基体的回复进行得不充分，从而导致热残余应力释放引起位错的遗传。由以上分析可知，淬火复合材料基体中可以产生高密度位错。经过TRSC处理后一段时间，复合材料基体中热残余应力减少很多，同时接近界面处基体中可以得到典型的回复显微组织，这一结果可能和蠕变中热残余应力的释放有关。尽管复合材料等温处理时没有外压，但是基体中高的残余应力起到了类似的作用，基于以上原因蠕变过程得以实现。尽管处理温度远远低于铝的回复温度，处理后的基体回复结构接近于两相界面。事实上基体接近界面处的残余应力很高，而且这一区域的弹性势能也非常高，所以当复合材料等温处理一段时间以后，基体中回复和热残余应力蠕变可能发生。因为纯铝的扩展位错能比较高，因而基体中的位错滑移很容易进行，这样基体接近界面处的晶粒很容易发生变形。

在塑性变形阶段，基体接近界面处和碳化硅晶须尖端存在较大的应力集中。TRSC处理前，基体界面处尤其是晶须的尖端存在高密度的位错，而且分布状态极其复杂。尽管高的热残余应力有利于弹性变形，但是界面处高密度的位错给位错连续运动带来了强大的阻力，因而在显微变形阶段会产生高的加工硬化指数。TRSC处理后的复合材料基体接近界面处位错密度降低，从而导致在显微变形阶段降低了加工硬化指数。在宏观变形阶段，加工硬化指数主要取决于基体中位错长程滑动的阻力。经过TRSC处理后的复合材料，热残余应力降低很多，而且基体当中位错密度和界面有明显的不同，会产生位错长程滑动的阻力，使得复合材料的加工硬化指数大大提高。碳化硅铝基复合材料晶须尖端聚集着显微裂纹，产生了小于屈服强度的应力。基体中低的热残余应力可能会诱发显微裂纹的聚集，可能会提高复合材料的弹性极限，因而处理后材料的弹性极限明显高于处理前的。

总结：①淬火处理后的复合材料基体中的位错密度增高了，热残余应力大大降低了；②经过TRSC处理后，淬火后的复合材料的显微屈服强度、弹性屈服强度明显优于处理前的性能。

参考文献：

[1]?王引真,曹文军,李小龙.镍、铁基喷焊层组织与性能研究

[J].材料保护，2004（10）.

[2]?刘振明,彭国军,魏文志.镍铝合金在喷涂领域的探讨[J].煤

矿机械，2000（07）.

篇8

我国金刚石工具供不应求，主要集中在石材和陶瓷产业发达的地域，另外包括河南三磨地域，广东的奔郎、河北的博深是金刚石工具行业的龙头企业。

就金刚石工具的结合剂而言，有金属基体、高分子基体、陶瓷基体、镶嵌、电镀、涂覆金刚石工具。

因为金刚石的耐磨度是传统碳化硅磨料的1000倍，又因为金刚石的超硬特点，加之锋利度超强，所以大量的节约用电，提高效率，提高生产质量，同时大大降低综合成本。就金刚石钻头来说，利润空间极大，直径14厘米的工程钻头，成本不到30元钱，市场价格保守地说也要好几百元。有时为了解决钻进工程中的难题，成本几十元的金刚石钻头，可以卖到好几千元。目前看来金刚石锯片和金刚石砂轮的利润在本地偏低，但区域价格极不平衡，又因为消费量非常之大，所以在大多地区仍然是暴利行业，充满商机！

该项目投资较大，特别是要做多个品种时，购置设备需要不小的一笔投入；生产金刚石工具需要的投入，用途不同，配方和工艺也不同，技术含量高，有时还需要专用的技术和配方，自然形成了这个行业的核心竞争力。投资门槛较高，小的投资商无法进入。高技术门槛在攻克的时候，投入较大的人力、物力、财力，但是一旦掌握了成熟的技术，那么财富就会源源不断地滚来，行外人因为技术壁垒只能眼巴巴地看着业内人士赚钱。

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【关键词】 移动通信 基站 电磁辐射 网络规划

一、引言

近年来，随着城市建设步伐的加快，个别新建的大型居民小区等区域移动通信覆盖差成为用户投诉的热点，可一旦运营商到这些区域增设通信基站，却又遭到用户的集体反对。造成这种两难困境的重要原因是公众对基站电磁辐射的担忧。事实上，当今世界无线电应用无处不在，从智能手机到卫星电视，从导航仪到遥控钥匙，包括飞机的通信导航、高铁的调度控制、气象的播测预报等等，无线电新技术、新业务已经渗透到社会生活的方方面面。

二、电磁辐射的影响

2.1 电磁辐射的形成

所谓电磁辐射，是指电场和磁场相互作用和变化产生的电磁波，向空中发射或泄漏的一种现象。在我们生活的环境中，振动无处不在，而振动就能形成波，当波的振动频率较低时，如50Hz的交流电，其磁电间变化缓慢，能量大部分通过介质返回原电路，极少一部分辐射出去，而且必须借助有形的导体方能传递；而对于振动频率较高的无线电波，磁电互变速度快，能量无法全部返回原振荡电路，电能、磁能随着电场与磁场周期变化而以电磁波的形式向空间传播，且不需要有形介质便可以在自由空间任意传递，这种辐射形式，在无线电通信领域称之为电磁辐射。

2.2 电磁辐射的影响及特点

电磁辐射对人体的影响主要表现在热效应和神经效应两大方面。所谓热效应类似微波炉加热食物，当高频电磁波穿过人体时，体内水分子随着无线电波而振动，产生摩擦使体内温度升高，影响器官正常工作和身体机能。摩擦同时也会使水分子散发进而导致器官缺水，如果受无线电波辐射时间过长，则将破坏人体的热平衡引发某些病变。神经效应方面：人体为适应大自然的规律，器官和组织内部存有微弱的电磁场，因此，当本身带有微弱磁场的无线电波穿过人体时，如同磁铁间作用力一样，直接影响并改变体内原本稳定的电磁场。

对于含水量较高的人体组织，如皮肤组织、肌肉、肝、肾、心脏、血管、眼睛等，热效应较为明显；对于含水量较少的人体组织，如骨骼、骨髓等，对电磁辐射吸收少反射多，从而使其邻近的组织吸收更多的电磁辐射。

2.3 电磁辐射标准

我国电磁辐射照射标准限值相对于国际标准更为严格。目前，我国在电磁辐射方面影响最为普遍的标准有GB8702-88《电磁辐射防护规定》和GB9715-88《环境电磁波卫生标准》，分别对不同频段电磁波给出了不同的照射限值。以移动通信系统使用频段为例，在30MHz-3GHz这一公众最敏感范围内的功率密度标准限值为40μW/cm2，电场强度限值为12V/m，我国环保方面的标准高于国际标准。

三、移动通信电磁辐射影响分析

随着通信事业的迅猛发展，为保证网络的覆盖和通信质量，通信运营商加快兴建移动通信基站，在拉动经济社会发展、完善信号覆盖、提升优质高效服务的同时，也在某种程度上加大了电磁环境的复杂性。那么，移动通信基站所产生的电磁辐射对人们的生活环境到底有什么影响呢？

3.1 移动通信基站辐射类别

在移动通信领域，基站和手机之间动态调整信道频率、辐射功率与接收灵敏度等，以实现通话质量和干扰控制。很显然，手机与基站的距离决定了基站和手机的发射功率。对于同一个基站覆盖范围内的手机而言，距离基站越远，对应基站和手机的发射峰值功率越大；移动通信基站密度越高，相应每个基站电磁辐射强度越弱。同时，蜂窝小区制基站之间为了避免同频干扰，各基站发射功率也不会太高。对于基站密度相对较大的主城区范围内，普通2G基站发射机功率不会高于20W，3G及4G基站仅为2-3W，天线增益在11～15dBi。

为了保障通信安全和传输质量，所有基站设备和传输线路都已做了一定的屏蔽，其辐射可忽略不计。由此可见，基站可能形成的主要影响来自天线端电磁辐射。而通信基站大都采用扇区天线，一般为三扇区，每个扇区天线夹角120度，三个主瓣方向电磁波信号较强，其余为旁瓣方向，电磁波信号相对较弱。

3.2 移动通信基站电磁辐射抽样实测

为了验证实测数据是否符合国家标准，抽样选择了周口移动GSM和TD-SCDMA系统分别位于市区和郊区各2个基站进行测试，测试结果如表1。

由于实际测试过程中基站密度不同，测试方向不在主瓣方向、话务量差3异造成的基站未满载发射、建筑物反射及遮挡等客观因素，测试值相对于理论值要小。总体来说，从不同距离、高度实际测试的结果来看，所有测试值均优于国家规定的12V/m标准。

以上移动通信基站电磁辐射指标符合国家环保要求，对人体健康无任何影响。

基站名称 测试距离（m） 距地面高度（m） 测试值（V/m）

GSM_A基站（郊区） 0（机房内部） 0 0.40

5 0 0.61

100 0 3.12

190 15 2.11

1500 9 0.27

GSM_B基站（市区） 0（机房内部） 18 0.66

10 0 1.77

50 12 3.30

200 20 2.37

TD-SCDMA_C基站（郊区） 0（机房内部） 0 0.21

10 0 1.56

150 0 1.63

1200 0 0.26

TD-SCDMA_D基站（市区） 0（机房内部） 0 0.41

20 0 1.85

1507 13 2.43

1500 0 0.45

表1

3.3 移动通信终端更应引起注意

相对于移动通信基站，用户日常使用的手机更应引起注意。因为手机在使用过程中与人体距离很近。同基站一样，手机也使用功率控制技术，在距离基站较远或接收基站信号较为微弱时，其自身发射功率相对会比较大，部分2G手机峰值功率可达2W，正常情况下，手机接通瞬间功率最大，而接通后相对稳定，一般维持在700-800mW左右（-0.96dBm）。

由于手机距头部很近，其辐射会直接影响大脑中的神经元细胞，从而使得神经胶质细胞增殖。因此，在使用手机时应注意接通瞬间不要把手机靠近头部，待接通1-2秒后再进行通话，并尽量使用耳机。此外，购置手机应选择正规厂家，避免使用信号很强、超功率发射的山寨产品。

四、移动通信基站规划探讨

4.1 基站建设必须做好正确的舆论导向

不可否认，近年来国内外媒体对电磁辐射的负面报道，在一定程度上助推了公众对移动通信基站电磁辐射的担忧。因此，政府部门和通信运营商有责任加大舆论宣传工作力度，多与公众沟通，消除公众心理负担，全方位提升整个社会和广大老百姓对无线电方面的认知度。同时，要积极组织公众实际观摩和参与基站建设环境评估，使环境影响评价民主化、公众化，以减少移动通信基站建设过程的阻力。

4.2 基站建设必须做好规划与环评

应当看到，长期以来移动通信基站的规划建设并未纳入地方各级政府城市建设总体规划，通信运营商基本处于无序竞争状态。由于基站选址大多在人口密集的市区、新兴城区和新建小区，不仅建设用地紧张，而且大量新建基站由于忽视共建共享因素造成资源浪费，加之老百姓出于认知上的误解与自身利益的考虑，对在其附近建设基站抵触反对，所有这些都给基站规划建设增加了难度，影响施工进度甚至迫使基站迁址。仅今年以来，周口移动公司已有16个拟建基站在建设过程中受到群众阻挠。

鉴于此，除了做好宣传引导工作，还需将科学规划的理念贯穿基站建设全过程。只有做好城市发展整体规划与通信基站规划的融合，方能有效促进通信系统网络规模性发展，也有利于减少基站辐射的叠加效应，实现通信发展与城市规划的有机统一。因此，政府规划部门在新建居民小区及有关公共建筑中，应充分考虑预留基站站址；有关部门与通信运营企业在基站规划建设过程中也要从资源优化配置出发，在充分考虑资源共建共享的基础上做好网络规划；所有基站建设项目必须严格进行环境影响评估与公示，在项目竣工验收及实际运行阶段，必须严格评估测试，确保符合环保标准。

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【关键词】石化装置；机械密封；泵类机械

由于石化装置的工作介质多具有高温、高压和强腐蚀性的特点，因此，在装置的运行过程中就会受到很大破坏，影响石油化工装置的稳定运行。在石化装置中离心泵的应用最为普遍，由于轴与设备之间存在间隙，当介质通过轴缝隙时就会出现泄漏问题，所以很大企业的石化装置都采用填料密封。随着近几年对泵类机械的密封形式的改造创新，更多的泵类机械采用了机械密封的方式，以提高石化装置的生产安全性。

1.石化装置中泵类机械密封应用的意义

石化装置的工作介质多是高温、、高压、高腐蚀性的介质，在运行过程中泵类机械的轴缝隙中就会出现介质泄露的问题，对石油化工装置的安全性造成了极大的威胁。机械密封能够有效解决旋转轴与机体间的缝隙问题，将旋转轴与机体之间密封，因此，机械密封广泛应用在石油化工装置中的保障泵、反应釜、压缩机、转盘塔、搅拌器、离心机和过滤机等工艺设备，在阀门、旋转接头等设备也有广泛应用[1]。随着近几年社会环保意识的不断深化，对石化装置中泵类密封的要求也越来越高，因此，各石油化工企业需要进一步发展和应用机械密封的新理论和新技术，以提高机械密封的安全性与环保性。

2.机械密封的新材料介绍

随着近几年新材料的不断涌现与应用，机械密封的使用材料范围也在不断扩大。传统机械密封摩擦副材料的组对，通常一方是以碳石墨为基质的软质材料，另一方则是以硬质合金、陶瓷为基质的硬质材料。辅助密封圈则采用通用合成橡胶、聚四氟乙烯等作为主要材料。随着科学技术的不断发展，石化装置泵类机械密封也常会使用高性能密封圈材料、自硬质合金等新材料[2]。机械密封也出现了新型的纳米复合密封材料，这种纳米复合密封材料是在原有机械密封材料的基础上添加了熔点较低而自性能很强的纳米材料，这样便可以进一步提高泵类机械密封的严密性，因此，纳米复合密封材料的出现对机械密封具有积极意义

石化装置泵类机械密封的材料还包括SiC、ZrO2等烧结体材料，这类材料多具有硬度高、韧性好、耐热冲击性好等特点，可以很好地防止介质的泄露。除了烧结体材料，机械密封还常采用陶瓷材料，陶瓷材料的主要成分是碳化硅质材料，由于碳化硅质材料几乎不受各种酸、碱的腐蚀，可以很好地起到机械的防护作用。当前，碳化硅质新材料主要包括表面转换型碳化硅质、常压烧结型碳化硅质、反应烧结型碳化硅质等等。

3.石化装置中泵类机械较为常见的几种机械密封

3.1 103型、109型机械密封

103型、109型机械密封是内装、内流、旋转型、单端面、单弹簧传动，非平衡型和平衡型机械密封。弹簧两端的并圈可以通过过盈型式安装在弹簧座和推环上，推环以耳环式带动动环旋转。这两种类型的机械密封结构相对简单，适用于高粘度的介质。103型、109型机械密封的弹簧比压可以自由调节，弹簧也可以维持弹力，但弹簧传动具有方向性，因此弹簧内径尺寸就需要保证精确度[1]。此外，103型、109型机械密封结构没有预压缩，安装前轴向尺寸较大，这样一旦弹簧断裂，机械密封就会失效。在安装过程中，受动环和静环密封圈的材料影响，轴向压缩容易被轴的台阶反边擦伤或扭曲，因此，103型、109型机械密封在实际安装中存在很大的困难，一旦出现问题就会影响石油化工装置的安全运行。

3.2 105型、111型机械密封

105型、111型机械密封在弹簧座上采用的是传动螺钉传动，动静环的密封圈则采用O形橡胶圈或V形聚四氟乙烯圈，这两种机械密封的弹簧力分布较为均匀，并且与同轴经的各种机械密封相比轴向尺寸最小，在传动处因螺钉磨损使零件产生偏斜和弹簧比压不均匀，这两种机械密封所采用的弹簧直径较小，很容易造成机械腐蚀，这样会对石化装置的运行造成安全威胁，机械密封失效。

3.3 104型、110型机械密封

104型、110型机械密封包括内装、内流、旋转型、单端面、单弹簧、传动套传动，因此，这两种机械密封也可以分为非平衡和平衡型两种，均采用带耳环的传动套传动，传动与弹簧传动不同不具有方向性，动静环的密封圈采用方形、O形橡胶圈或V形聚四氟乙烯圈，拆卸都非常方便，在安装过程中不会出现问题。104型、110型机械密封能够进行互换，这样石化装置在运行中就会方便许多[3]。但是这两种机械密封的弹簧比压不能随意调节，很容易发生变形失去弹性，因此，104型、110型机械密封的动环浮动性相对比103、109型机械密封更差。

3.4 LMC型、LMG型机械密封

LMC型和LMG型系列的机械密封属于金属波纹管机械密封，这种组装式的波纹管密封环结构相对简单，不需要配置O形橡胶圈和V形聚四氟乙烯密封圈，这样密封端就很容易受热发生变形，在安装拆卸时更加的方便，并且金属波纹管机械密封可以高效调整压缩量，这样就能够解决弹簧机械密封在旋转时无法调节压缩量的问题。对于金属波纹管机械密封，103型、109型等机械密封的弹簧常存在弹簧方向性的问题，因此，在机械密封时通常采用耐高温、耐腐蚀的不锈钢波纹管。LMC型和LMG型系列的机械密封通常采用组装式焊接金属波纹管密封，这样可以减小密封端面的热变形，解决了高温情况下镶嵌结构合金环易松动的问题，使石化装置在运行时更加的安全稳定。

4.石化装置泵类机械密封的选用

4.1 高温条件下泵类机械密封的选用

对于高温条件下的泵类机械密封宜采用波纹管机械密封，选用不锈钢耐腐蚀的材料。这是因为波纹管的波片属于双层结构，波纹管的承载能力更强，这样可以有效避免在应用过程中波纹管失弹的问题。对于波纹管内碳化结胶的问题，可以采用蒸汽清扫的的方法，去除结胶。

4.2 低温条件下泵类机械密封的选用

在石化生产过程中常用的热交换介质的冷冻盐水，它具有低温、低默度、微腐蚀等特性，如果在这种情况下采用弹簧式机械密封，那么密封材料就会出现冷脆性，空气在密封件的大气侧面冻结，泵类机械密封就会受到影响。如果泵类机械采用双端面机械密封，介质与大气间会设有隔离室，利用密封油填补缝隙，缓和低温的影响，但是双端面机械密封的安装过程相对复杂，并且需要配备液封系统，在实际的运作过程中还会受到温度的影响[2]。因此，在低温条件下选用泵类机械密封时要格外注意温度，以及石化生产中的介质。

5.结语

为了保证石化装置中机泵机械密封的可靠性能，维持设备的稳定运行，泵类机械需要采取严密的机械密封，而信息技术与材料科学的快速发展也为机械密封提供了理论基础和设计手段，因此，石油化工企业需要进一步研发新材料与新技术应用于石化装置的泵类机械密封中，真正使化工生产装置达到稳定高效运行。

参考文献