本文選題：鋁碳耐火材料 + 復(fù)合納米碳�。� 參考：《武漢科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：傳統(tǒng)鋁碳耐火材料(10-30 wt%C)兼具良好的耐高溫、抗熱震、抗渣侵蝕等性能而被廣泛地用作水口、滑板和塞棒等關(guān)鍵部位的功能性耐火材料,但隨著高效連鑄、潔凈鋼冶煉等技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)優(yōu)質(zhì)低碳鋁碳耐火材料(5 wt%C)刻不容緩。但是,單純地降低鋁碳耐火材料中的微米級石墨含量將會導(dǎo)致材料韌性降低,抗熱震性惡化。從耐火材料的發(fā)展趨勢來看,基質(zhì)結(jié)構(gòu)納米化將是實現(xiàn)耐火材料低碳化的重要途徑。目前,人們已開始將納米炭黑、碳納米管、氧化石墨烯片和膨脹石墨(可以看作是大量石墨烯片和氣孔的疊層組合)等納米碳源和微米級鱗片石墨復(fù)合作為碳復(fù)合耐火材料的碳源,在降低材料中碳含量的同時,優(yōu)化材料的性能。在高溫下材料中納米碳源可能會發(fā)生結(jié)構(gòu)演變或蝕變,如何控制和減緩其結(jié)構(gòu)蝕變,發(fā)揮納米碳的本征性能;對于開發(fā)新一代低碳甚至超低碳耐火材料(5 wt%C,甚至低于3 wt%C)時,必須考慮如何發(fā)揮納米碳源協(xié)同增強(qiáng)增韌作用,進(jìn)一步降低材料中碳含量;如何通過表征碳復(fù)合耐火材料的力學(xué)性能參數(shù)來判別材料抗熱震性的優(yōu)劣?針對上述問題,本論文的研究工作主要有:首先研究納米炭黑在鋁碳耐火材料中的結(jié)構(gòu)演變及其炭黑種類對鋁碳耐火材料微結(jié)構(gòu)與性能的影響;其次,研究鋁碳耐火材料中多壁碳納米管(MWCNTs)結(jié)構(gòu)演變及機(jī)理,探討控制和減緩MWCNTs結(jié)構(gòu)蝕變的方法;進(jìn)而以納米炭黑為基礎(chǔ)碳源,研究外加MWCNTs以及原位催化形成MWCNTs與納米炭黑復(fù)合納米碳對鋁碳耐火材料性能的影響;再次,在研究膨脹石墨復(fù)合納米炭黑對鋁碳耐火材料性能影響的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步以原位催化形成碳納米管的方式制備納米炭黑、MWCNTs與膨脹石墨復(fù)合鋁碳耐火材料,探明多種納米碳復(fù)合對鋁碳耐火材料綜合性能的影響;最后,利用楔形劈裂測試手段結(jié)合斷口結(jié)構(gòu)與形貌分析研究鋁碳耐火材料受拉伸載荷時的斷裂行為和抵抗裂紋破壞的能力,以揭示鋁碳耐火材料的微結(jié)構(gòu)與抗熱震性的關(guān)聯(lián)性。為炭質(zhì),外層為碳化硅質(zhì))。在鋁碳耐火材料中炭黑與含硅氣相物質(zhì)基于氣-固反應(yīng)形成核殼結(jié)構(gòu),同時在顆粒間隙氣-固反應(yīng)原位形成碳化硅晶須,其長徑比隨著引入炭黑的粒徑增加而增大,從而提高了材料的力學(xué)性能,但是材料的抗熱震性卻與此相反。復(fù)合添加納米炭黑N220和亞微米炭黑N990能夠提高材料的力學(xué)性能和抗熱震性。2.高溫下MWCNTs的結(jié)構(gòu)演變主要受體系中的SiO(g)分壓影響。鋁碳耐火材料中MWCNTs在含單質(zhì)Si添加劑時的結(jié)構(gòu)演變分為以下幾個步驟:1000℃處理后在MWCNTs表面缺陷處形成碳化硅層,部分MWCNTs蝕變?yōu)樘蓟杈ы?1200℃及更高溫度處理后大量MWCNTs蝕變成為碳化硅晶須。與僅添加單質(zhì)Si相比,硅微粉引入可以促進(jìn)SiO(g)分壓升高,從而加速M(fèi)WCNTs的蝕變進(jìn)程;相反地,B4C的引入顯著降低了SiO(g)分壓,有效抑制MWCNTs的結(jié)構(gòu)蝕變。3.碳化硼在鋁碳耐火材料中具有催化作用,改變納米碳的形貌并催化樹脂裂解碳形成MWCNTs和準(zhǔn)石墨烯結(jié)構(gòu),有助于提高抗熱震性。相對于僅添加單質(zhì)硅的鋁碳耐火材料來說,硅微粉引入促進(jìn)了高溫下碳化硅晶須的形成,材料的強(qiáng)度得到了提高但同時也增加了材料的脆性,不利于材料抗熱震性的提高;相反,碳化硼的引入保留了更多的MWCNTs以及其催化形成的一維和二維納米碳結(jié)構(gòu)有助于提高材料的韌性,從而改善了材料的抗熱震性。4.納米炭黑和碳納米管復(fù)合鋁碳耐火材料具有比納米炭黑和微米鱗片石墨復(fù)合材料更優(yōu)異的性能。含有0.9wt%納米炭黑復(fù)合0.1wt%MWCNTs可媲美1wt%納米炭黑與1wt%鱗片石墨復(fù)合鋁碳耐火材料的抗熱震性。而原位催化樹脂形成MWCNTs解決了MWCNTs在基質(zhì)中分散性問題,MWCNTs與樹脂殘?zhí)啃纬山豢椊Y(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高了材料的結(jié)合強(qiáng)度和韌性。5.多種納米碳(納米炭黑、碳納米管和膨脹石墨)在鋁碳耐火材料中起到協(xié)同增強(qiáng)增韌作用。膨脹石墨復(fù)合納米炭黑引入鋁碳耐火材料中主要發(fā)揮納米炭黑柔性顆粒以及膨脹石墨多孔蠕蟲狀結(jié)構(gòu)對材料應(yīng)力的吸收和緩沖作用,顯著改善材料的抗熱震性。在此基礎(chǔ)上,原位催化樹脂形成MWCNTs與納米炭黑和膨脹石墨起到協(xié)同增強(qiáng)增韌作用,能夠在不降低抗熱震性的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高低碳鋁碳耐火材料的綜合性能。通過上述研究工作,可以得到以下主要結(jié)論:1.高溫下鋁碳耐火材料中炭黑顆粒與含硅氣相物質(zhì)作用形成核-殼結(jié)構(gòu)(內(nèi)層6.基于楔形劈裂法實驗建立了納米碳源制備鋁碳耐火材料斷裂行為、抗熱震性與材料微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)�；谛ㄐ闻逊y試認(rèn)為提高材料的強(qiáng)度有助于抵抗裂紋的形成,而增加材料的韌性則提高材料抵抗裂紋增殖的能力。因此,以納米炭黑、原位催化形成碳納米管和膨脹石墨為碳源的鋁碳耐火材料由于納米炭黑、原位催化形成納米碳、膨脹石墨以及高溫下生成的碳化硅晶須起到了協(xié)同強(qiáng)韌化作用,增加了材料斷裂過程中的能量耗散機(jī)制,提高了材料抵抗應(yīng)力破壞的能力,顯示出了較好的抗熱震性。
[Abstract]:The traditional aluminum carbon refractories (10-30 wt%C) have been widely used as functional refractories in the key parts of water ports, skateboards and stoppers. But with the development of high efficiency continuous casting, clean steel smelting and other technologies, the development of high quality and low carbon aluminum carbon refractories (5 wt%C) is urgent. The pure reduction of microscale graphite content in aluminum carbon refractories will lead to lower toughness and thermal shock resistance. From the development trend of refractory materials, matrix nanostructure will be an important way to realize low carbonization of refractory materials. At present, carbon black, carbon nanotubes, graphene oxide tablets and expanded graphite have been started. As a carbon source of carbon composite refractories, it can be considered as a carbon source of carbon composite refractories, such as a large number of graphene sheets and pores, as a carbon source of carbon composite refractories, to reduce the carbon content of the materials and to optimize the properties of the materials. The structure evolution or alteration of carbon nanometers in the materials at high temperature may be developed and how to control and reduce the structure of the materials In the development of a new generation of low carbon or ultra-low carbon refractories (5 wt%C, or even less than 3 wt%C), it is necessary to consider how to enhance the synergistic toughening effect of nano carbon source and further reduce the carbon content in the material, and how to distinguish the heat resistance by characterizing the mechanical properties of the carbon composite refractory. In view of the above problems, the main research work in this paper is as follows: firstly, the structure evolution of nano carbon black in aluminum carbon refractories and the influence of carbon black on the microstructure and properties of aluminum carbon refractories are studied. Secondly, the structure evolution and mechanism of multi wall carbon nanometers (MWCNTs) in aluminum carbon refractories are studied, and the control and reduction are discussed. In addition, the effect of MWCNTs and in situ catalytic formation of MWCNTs and nano carbon black carbon nano carbon on the properties of Al C refractories was studied with nano carbon black as the base carbon source, and on the basis of the study on the effect of the expanded graphite composite nano carbon black on the properties of Al C refractory material, further in situ catalysis was carried out. Carbon nanotubes were formed to prepare carbon black, MWCNTs and expanded graphite composite al carbon refractories, and the effects of a variety of carbon nanocomposites on the comprehensive properties of aluminum carbon refractories were explored. Finally, the fracture behavior and resistance of aluminum carbon fire resistant material under tensile load were studied by the fracture structure and morphology analysis by wedge splitting test. The ability of crack failure to reveal the correlation between microstructure and thermal shock resistance of Al carbon refractories. Carbon and silicon carbide in the outer layer. Carbon black and silicon gas phase material in Al C refractories form a shell structure based on gas solid reaction, and in situ formation of silicon carbide whiskers in the interstitial gas solid reaction, with the length diameter ratio introduced. The increase of the particle size of carbon black increases the mechanical properties of the material, but the thermal shock resistance of the material is the opposite. Adding nano carbon black N220 and submicron carbon black N990 can improve the mechanical properties and thermal shock resistance of the materials. The structural evolution of MWCNTs at.2. at high temperature is mainly influenced by the partial pressure of SiO (g) in the system. The structure evolution of MWCNTs in the material containing a single Si additive is divided into the following steps: the silicon carbide layer is formed at the surface defect of MWCNTs at 1000 C, and the partial MWCNTs alteration becomes silicon carbide whisker, and a large amount of MWCNTs alteration becomes SiC whisker after 1200 and higher temperature treatment. The SiO (g) partial pressure increases, thus accelerating the alteration process of MWCNTs; on the contrary, the introduction of B4C significantly reduces the partial pressure of SiO (g), effectively restraining the structural alteration of MWCNTs and the catalytic action of boron carbide in the aluminum carbon refractories, changing the morphology of the carbon nanoscale and catalyzing the resin cracking carbon to form the MWCNTs and para graphene structure, which helps to improve the thermal shock resistance. Relative to the aluminum carbon refractories with single silicon only, the introduction of silicon micro powder promoted the formation of silicon carbide whisker at high temperature. The strength of the material was improved but the brittleness of the material was increased and the thermal shock resistance of the material was increased. On the contrary, the introduction of boron carbide retained more MWCNTs and its catalytic formation. The two dimensional carbon nanostructure helps to improve the toughness of the material, thus improving the thermal shock resistance of the material,.4. nano carbon black and carbon nanotube composite aluminum carbon refractories have better performance than nano carbon black and micron scale graphite composite. The composite 0.1wt%MWCNTs containing 0.9wt% nano carbon black is comparable to that of 1wt% nano carbon black and 1wt% scale. The thermal shock resistance of the flake graphite composite al C refractories, and the formation of MWCNTs by the in-situ catalytic resin solution to the dispersion of MWCNTs in the matrix, and the formation of the interwoven structure of the MWCNTs and the resin residual carbon, further improving the bonding strength and toughness of the material.5. (nano carbon black, carbon nanotube and expanded graphite) in the aluminum carbon refractories The expanded graphite composite nano carbon black introduces the nano carbon black flexible particles and the porous worm like structure of the expanded graphite to the material stress absorption and buffer effect, and improves the thermal shock resistance of the material. On this basis, the in-situ catalytic resin forms MWCNTs and nano carbon black. With the expanded graphite, it can enhance the toughening effect, and can further improve the comprehensive performance of low carbon aluminum carbon refractories without reducing the thermal shock resistance. The following main conclusions can be obtained through the above research work: 1. the carbon black particles in the aluminum carbon refractories at high temperature formed the core shell structure (inner layer 6.). Based on the wedge splitting method, the fracture behavior of aluminum carbon refractories prepared by carbon nanometers is established. The relationship between the thermal shock resistance and the microstructure of the material is found. Based on the wedge splitting test, it is suggested that the strength of the material can help to resist the formation of the crack, and the toughness of the material increases the ability of the material to resist the crack growth. Carbon black, in situ catalyzed formation of carbon nanotubes and expanded graphite as carbon source, due to nano carbon black, in situ catalytic formation of carbon nanoscale, expanded graphite and silicon carbide whiskers generated at high temperature played a synergistic toughening effect, increased the energy dissipation mechanism during the fracture process, and improved the material resistance to stress damage. The ability to show good thermal shock resistance.

【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ175.1;TB383.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 白春禮;;納米科技及其發(fā)展前景[J];群言;2001年04期

2 白春禮;納米科技及其發(fā)展前景[J];安徽科技;2002年03期

3 白春禮;納米科技及其發(fā)展前景[J];微納電子技術(shù);2002年01期

4 黃彪;納米科技前景燦爛,應(yīng)用開發(fā)任重道遠(yuǎn)[J];中國粉體技術(shù);2002年01期

5 一東;;納米產(chǎn)業(yè)化成了企業(yè)泥潭[J];新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊;2003年Z2期

6 宋允萍;納米科技[J];中學(xué)文科;2001年01期

7 李斌,沈路濤;納米科技[J];焊接學(xué)報;2000年04期

8 齊東月;納米 又一場新技術(shù)革命來臨了[J];民族團(tuán)結(jié);2000年10期

9 徐濱士,歐忠文,馬世寧;納米表面工程基本問題及其進(jìn)展[J];中國表面工程;2001年03期

10 白春禮;納米科技及其發(fā)展前景[J];計算機(jī)自動測量與控制;2001年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 陳天虎;謝巧勤;;納米礦物學(xué)[A];中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會第13屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2011年

2 馬燕合;李克健;吳述堯;;加快建設(shè)我國納米科技創(chuàng)新體系[A];納米材料和技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展——全國第二屆納米材料和技術(shù)應(yīng)用會議論文集（上卷）[C];2001年

3 李正孝;煍巖;;漫娗納米技圫和納米材料的a捎煤蛌|展[A];第二屆功能性紡織品及納米技術(shù)應(yīng)用研討會論文集[C];2002年

4 伊陽;陶鑫;;納米CaCO_3在塑料改性中的應(yīng)用研究[A];PPTS2005塑料加工技術(shù)高峰論壇論文集[C];2005年

5 洪廣言;;稀土產(chǎn)業(yè)與納米科技[A];第九屆中國稀土企業(yè)家聯(lián)誼會會議論文集[C];2002年

6 惠飛;王棟民;;納米水泥混凝土的研究進(jìn)展[A];2008年中國水泥技術(shù)年會暨第十屆全國水泥技術(shù)交流大會論文集[C];2008年

7 秦伯雄;陳峰;馬卓然;;高壓流體納米磨及其應(yīng)用[A];納米材料和技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展——全國第三屆納米材料和技術(shù)應(yīng)用會議論文集（上卷）[C];2003年

8 王樹林;李生娟;童正明;李來強(qiáng);;振動納米學(xué)進(jìn)展[A];第七屆全國顆粒制備與處理學(xué)術(shù)暨應(yīng)用研討會論文集[C];2004年

9 洪廣言;賈積曉;于德才;孫鎖良;李天民;王振華;;納米級氧化鐿的制備與表征[A];中國稀土學(xué)會第四屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2000年

10 洪茂椿;;納米催化在化石資源高效轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用研究[A];中國化學(xué)會2008年中西部地區(qū)無機(jī)化學(xué)、化工學(xué)術(shù)交流會會議論文集[C];2008年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 張立德（中國科學(xué)院固體物理研究所）;納米專家話納米[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報;2002年

2 本報記者 趙曉展;納米科技，產(chǎn)業(yè)化序幕剛剛拉開[N];工人日報;2002年

3 宗合 曉麗;納米科技成果產(chǎn)業(yè)化將帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益[N];消費(fèi)日報;2004年

4 朱文龍;產(chǎn)學(xué)研聯(lián)手助推納米產(chǎn)業(yè)[N];文匯報;2006年

5 ;神奇的納米科技[N];中國有色金屬報;2006年

6 本報記者 李贄;納米還沒走出實驗室[N];大眾科技報;2001年

7 馮 薇;納米護(hù)膚品沒那么神[N];大眾科技報;2005年

8 本報記者 彤云;打造納米產(chǎn)業(yè)鏈條[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報;2001年

9 張芳;納米護(hù)膚品其實沒那么神[N];科技日報;2005年

10 趙展慧 張之豪;納米世界有多神奇？[N];人民日報;2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 樊莉鑫;納米電極體系界面結(jié)構(gòu)及過程的理論與數(shù)值模擬研究[D];武漢大學(xué);2014年

2 馮曉勇;高速重?fù)魲l件下高錳鋼表面納米晶的制備及組織性能研究[D];燕山大學(xué);2015年

3 黃權(quán);B-C-N體系中新型超硬材料制備與性能研究[D];燕山大學(xué);2015年

4 王東新;納米鉆石靶向載藥體系的制備及其與細(xì)胞相互作用的研究[D];山西大學(xué);2014年

5 張俊麗;低維磁性納米結(jié)構(gòu)的可控合成、微觀表征及應(yīng)用研究[D];蘭州大學(xué);2015年

6 于佳鑫;兩種新型光學(xué)材料在顯微生物成像與光譜檢測中的應(yīng)用探索[D];浙江大學(xué);2015年

7 李志明;塊體納米晶鈦的制備及組織演變與力學(xué)行為[D];上海交通大學(xué);2014年

8 楊樹瑚;缺陷對幾種過渡族金屬氧化物磁性的影響[D];南京大學(xué);2012年

9 劉春靜;鋰離子電池錫基納米負(fù)極材料制備及儲鋰性能[D];大連理工大學(xué);2015年

10 謝偉麗;SiC納米線三維結(jié)構(gòu)的制備與生物相容性[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 林詮彬;中藥納米化對中醫(yī)藥的影響[D];廣州中醫(yī)藥大學(xué);2010年

2 毛彩霞;納米二氧化錳的安全性評價[D];華中師范大學(xué);2008年

3 鄧世琪;PbTi0_3及LiTi0_2納米結(jié)構(gòu)的水熱合成及其光致發(fā)光和光催化性能研究[D];浙江大學(xué);2015年

4 葛巖;YAG：Ce~(3+)納米晶的制備及其發(fā)光性能的研究[D];上海師范大學(xué);2015年

5 潘偉源;水熱法合成的過渡金屬化合物摻雜對Li-Mg-B-H儲氫體系的改性研究[D];浙江大學(xué);2015年

6 豆貝貝;納米水泥熟料礦物的合成與性能研究[D];河北聯(lián)合大學(xué);2014年

7 郭步超;高氮奧氏體不銹鋼機(jī)械納米化表面層及其熱穩(wěn)定性研究[D];長春工業(yè)大學(xué);2015年

8 王艷艷;納米化/滲氮/滲硫?qū)优c潤滑油添加劑的摩擦化學(xué)效應(yīng)研究[D];中國地質(zhì)大學(xué)(北京);2015年

9 周文敏;Cr_2WO_6、Ag_2CrO_4微/納米晶的制備及性能研究[D];陜西科技大學(xué);2015年

10 龔成章;納米鋁結(jié)構(gòu)性質(zhì)及Al/RNO_2界面作用的理論研究[D];南京理工大學(xué);2015年

，

本文編號：1873470