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【用戶(hù)成果】實(shí)時(shí)捕捉界面反應(yīng)：可視化高溫接觸角設(shè)備揭示SiC與金屬界面動(dòng)態(tài)演變

鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院范冰冰教授團(tuán)隊(duì)在硅酸鹽通報(bào)上發(fā)表了題為“SiC?與耐熱鋼在高溫真空中的界面反應(yīng)機(jī)制研究”的論文。

2025-11-14

DOI：10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2023.06.011

鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院范冰冰教授團(tuán)隊(duì)在硅酸鹽通報(bào)上發(fā)表了題為“SiC與耐熱鋼在高溫真空中的界面反應(yīng)機(jī)制研究”的論文。本研究針對(duì)真空與高溫環(huán)境下SiC與耐熱鋼的界面反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并借助本公司自主研發(fā)的可視化高溫形變儀（TA-16A），對(duì)SiC與金屬界面在反應(yīng)過(guò)程中的形態(tài)演變進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀察與記錄。

研究背景

碳化硅（SiC）陶瓷因脆性大而應(yīng)用受限，與金屬?gòu)?fù)合是改善其韌性、拓展其應(yīng)用的有效方法。本研究聚焦于碳化硅陶瓷襯里在皮江法煉鎂中的應(yīng)用，旨在系統(tǒng)研究SiC與耐熱鋼（Cr₂₄Ni₇SiN）在高溫真空下的界面反應(yīng)機(jī)制，為該復(fù)合襯里的設(shè)計(jì)與安全評(píng)估提供理論依據(jù)。

研究方法

采用擴(kuò)散偶試驗(yàn)，將SiC和Cr₂₄Ni₇S置于可視化高溫形變儀( TA-16A，CTJZH，中國(guó))中進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)條件為1200 ℃、10 Pa。并通過(guò)XRD、SEM、TEM/EDS等方法對(duì)樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征和分析。

界面反應(yīng)過(guò)程

SiC和Cr₂₄Ni₇S組成的擴(kuò)散偶從50℃加熱到1200℃，并在1200℃保持8h?的界面反應(yīng)過(guò)程，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程在真空度為10 Pa的條件下進(jìn)行，與皮江法鎂冶煉的條件相同。從圖1可以看出，在溫度升高到1000 ℃之前接觸角沒(méi)有明顯變化。然而，當(dāng)溫度達(dá)到1000 ℃時(shí)，接觸角出現(xiàn)較大的波動(dòng)，表明在界面上發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致界面失穩(wěn)，接觸角隨之變化。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到1200℃時(shí)，接觸角的變化幅度逐漸變小，表明界面反應(yīng)趨于平衡。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Cr₂₄Ni₇S?在接觸面處出現(xiàn)大面積的熔化，當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)240min時(shí)，接觸角趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榕cSiC接觸的Cr₂₄Ni₇S已全部熔化。

圖8為在界面反應(yīng)過(guò)程中碳化硅陶瓷和Fe接觸角隨時(shí)間和溫度的變化圖像。當(dāng)溫度逐漸升高到1400℃過(guò)程中，純鐵樣品的仍保持最初的形狀，如圖8( c)?所示。但是隨著在1400℃的保溫時(shí)間延長(zhǎng)，純鐵在短時(shí)內(nèi)整體熔化。

Cr₂₄Ni₇S在1200℃、10Pa條件下對(duì)SiC的侵蝕過(guò)程

1)反應(yīng)初期，界面反應(yīng)為固-固反應(yīng)，生成的片狀石墨阻礙了反應(yīng)進(jìn)行。

2)低熔點(diǎn)硅鎳化合物熔化后，片狀石墨在?Ni?的催化作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀石墨，失去了保護(hù)作用。

3)界面反應(yīng)由固-固反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?/span>-液反應(yīng)，反應(yīng)速率加快，加速了鋼對(duì)?SiC?的侵蝕。

結(jié)論

1)界面反應(yīng)產(chǎn)物: SiC與Cr₂₄Ni₇S反應(yīng)生成金屬硅化物(如Fe₃Si、Ni₃Si)和石墨。

2)SiC與純鐵的界面反應(yīng)速率明顯降低，金屬熔化所需溫度顯著升高。

3)Ni是導(dǎo)致耐熱鋼與SiC反應(yīng)并在低溫下逐步熔化的關(guān)鍵因素。

中環(huán)產(chǎn)品

可視化高溫接觸角測(cè)試儀，可實(shí)現(xiàn)高溫高真空表界面性能測(cè)試，是研究高溫下不同熔體與相應(yīng)基體間的接觸角變化規(guī)律的專(zhuān)用科研裝置，可實(shí)現(xiàn)高溫、高真空條件下材料的表界面性能測(cè)試。該儀器能夠?qū)Φ腿埸c(diǎn)材料在升、降溫過(guò)程中的收縮、變形、熔化、潤(rùn)濕、鋪展及凝固行為進(jìn)行圖像化、定量化表征。