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1、第?卷 第?期!#年月硅酸盐学报%&()+%,卜./0 1/+)+二 20,二0(3+,二2&1+0.45,67?,一89、:,)。一?!#燃烧合成 一1;!7北京科技大学材料科学与工程学院,北京?7唐山学院,河北唐山?摘要通过绘制 反应标 准自由能与反应温度的 关系曲线、一&一)和1;一&一)两体系叠加热力学参数状态图,结合射线衍射、扫描电镜分析,对具有耐热高强隔热 特点的燃烧合成材料的相的形成原因进行了分析。该燃烧合成材料的主要成分为 !及,1;,!固溶体,井含有少量的+)、1;,+、&?)。,1;关键词热力学参数状态图燃 烧合成热力学中图分类号.#=文献标识码文章编号=?=一?=!#2一
2、#一=./0(3&4)3+12&./01&3 2.+&)24)./02+2(0 1.+&)&+一1;刃?242.03 认.+13.0(+4乃叮1进8鳍,凡刀丈=刀49几+)心(,月&,娜。,扩,4)。,几4走凤邝?朋,。,犷,78 82:1 一:、=,8!72 3:;2 .8,;:2 .8 8,?7.8+:9:,.8?,/,1 :;:9;:;:;8 ;:;8:;:;8:8;+一&一)1;一&一):9:;:;,:;:;:9:一:;:一;:;:;:8:;8:?9 ,;8:;9:一;于:8:;:;9:7.9:一:;:;!&,1;,+!,9:+),1;,+、&?)?1巧7;:;:;8;9:;目前高炉风
3、管内衬多用耐火混凝上制成因耐火混凝土导热系数较大和耐火混凝土升温剥落,高炉风管经常被烧红,既使热风温度降低、浪费能源,又影响生产。因此,研制耐热风冲刷、隔热效果好的高炉风管内衬具有实际应用价值。在空气中燃烧合成的 一1;&?系耐热高强隔热材料的耐火度为 、常温耐压强度为!?3,?&1时的导热 系数 为7_!,体积密度 7#?留 而传统磷酸盐耐火混凝土 时导热系数为7一 78,!宜,比燃烧合成的隔热材料的导热系数低 个数量级因燃烧 合成材料已经过 自蔓延烧结,所以使用时不会出现因急剧升温而剥落的问题。尽管燃烧合成的隔热材料的常温耐压强度,!?3 较传统磷酸盐耐火混凝土的常温耐压强度,!_一?=3
4、 略低,但其仍可耐热风冲刷,更重要 的是 隔热效果好,使用可靠。该材料制备的高炉风管内衬能避免热风温度显著降低、节能、保证生产顺利进 行!,还可应用于其它领域+。不同的燃烧条件下燃烧产 物的相组成 也不同,而相组成和结构又决定燃烧产物的性能州,为收稿日期!#一?一#。修改稿收到日期基金项目国家“?”十划,!?!?第一作者杨大正,_?#,男,博士研究生通 讯作者张跃,_?一,男,教授。!#一=一?资助项 日。(:!#一?一#7;:!#一=一?7路:9:;)8,_?#一,:8;9;:;8;1;详,:9:;/)49,_?一,;0一 89:刃9硅酸盐学报!#年此,利用热力学参数状态图6”并通过反应自由
5、能与燃烧合成反应温度的关系曲线分析 一1;?体系燃烧合成产物的相形成原因,以期为制备性能更为优良的耐热高强隔热材料提供理论指导 实验实验原料为1;粉与 粉按?的摩尔比配制,筛混均匀点燃压坯。用+.一?快速红外测温仪检测压坯的最高燃烧温度。用?型射线衍射,;:,(仪,=5,?,9靶长、射线分析物相用).型扫描电镜,8:;,203观察显微结 构,用/&0)+型能谱仪,;罗印;:;:;,0 测产物的成分。!结果与讨论!7 实验结果实验中测得的压坯最高燃烧温度为!?。燃烧合成产物的微结构形貌如图、图 所示。图、图 分别为图、图+十字点处的02谱。图!为燃烧产物的(谱。根据图的能谱分析和图!的(结果,推
6、测图 中十字点处为!&?根据图的能谱分析和图!的(图结果,推测图+中十字点处为,1;固溶体吼!7!燃烧产物形成过程及相形成原因分析点火剂产生的高温使1;&。于!?分解并最终生成1;&?和!,同时 +颗粒表面熔化,熔点为?并与1;&?分解生成的1几?反应生成图燃烧产物的203照片,与相应的0 2谱87 2 8:;,203:8;8,02;:;:;,0 2:;:;:203:8;2:第?卷第?期杨大正等燃烧合成 一1几系隔热材料反应热 力学亡亡亡吸吸!,=?,!口,。为标准大气压,。表 中 、7 !)厂+),2反应式的热力学计算过程如下由热力学数据手册同查得该反应的么1,性一?!#!?72.,将么1。
7、代入式,计算!?时的 8,凡了尸二一 7。由于在(谱中发现存在1;),尽管只能从热力学数据手册中查到=时1;)的热力学数据,而仍由这些热力学数据通过墒法近似计算得1;,+!)1;),反应的?7#?月.一7!#尹一_?=了一?=?#,将该1,代人式,计算!?时的 _,爪了少力卜_#。表中的其它反应都可 通过以上方法 计算,其中#粼,的心 一?巧!?=到明。由表绘制了 一&一)和1卜&)两体系热力学参数状态图 见图=。空气中姗姗绷,。?一?叱!。#卜%的!忍&%图燃烧产物的()谱+,./(一0123,价145,6 78)#915 5:0 6;:65,6?25:,:3 063!:5液态%和液态0熔化
8、的 还分别与空气 中的氧气,0分解生成的氧气生成液态%液态 与空气 中的氮气反应生成 液态与/反 应生成几0,%,在高温下还形成70,#固溶体。以上放热反应使反应区温度高达,未反应区被预热后被点燃,形成自土而下的燃烧 波,燃烧 波过后反应区生成的液态物质冷却形成燃烧产物,如液态%。以加人的%6。为晶核形成%6及7 0,#固溶体,这为?和()结果所证实 。燃烧合成过程中可能发生如下反应07#7#07#7%#/7#%.%7#7#0/7#/7#%,7%#/07#7#7#.二7#7#%7#汗/%洲7#7#/07#.厂0/7#7#/07#%.0/飞7?#7#根据相关物质的热力学数据阳针算,获得了自由能与
9、温度的关系曲线7如图#,图中的曲线%一曲线分别对应反应式7#一式7#。由图可 见在相应的温度区间各反应的 自由能都小于零,反应都能发生。为更好地解释燃烧产物成因,根据相关物质的热力学数据&按7#式计算了压坯最高燃烧温度为 时平衡体系的氧分压与氮分压关系口沂7#)刀 7#其中为反 应平衡时气相生成物与气相反应物的分压比尺为气体常数.%#7:一&司一一一一一&占.%7#7#了图反应标准自由能与温度的关系+,):1 5,6 ,=:5:0:1:5,6;0:4!0:7,#0:0:05:0:!5 4 1:!,5:3;067#567#0:5:2表%时卜一体系及0一一体系凝聚相及平衡分压1=:%105,1 0
10、:!0:0:15,6 6;:!,=0,!25:6;1 3 15?5一):1 7、5,7一了%长 0#/7#7#%7、#/%#户%7#,7#/07,#/,7#7二07#7#0/7#,7#几7#0刃7#10 5,1 0:、0:80:、,6吕7八#二一%.%7只口玛二一%7八尸、%.%7双汀尸#%,7凡犷尸今二%.%风7只以尸今%以八了尸今二一%7只了,#一%以凡尸#二 耗7八口尸、二%.%79、了尸#7只汀尸._硅酸盐学报!#年氧含量为!,氮含量为#,有 _仔几卜乍一7?,_口未厂尸卜一 7,压坯反应区达到最高温度!?时的热力学条件可见图=中的圆环处燃烧产物主要为 必?及,;,刃。固溶体,还有少量
11、的+),1;,+、&剑?,1;?!。一!二二扮扮扮扮扮扮扮扮扮1 1 1 1 1 1 1 1 1;+)1;+;八!。一一洲份份份份 曰?门 乃了、7 乏艺3色巴一一一%7尸。丫尸#图 时 一一和40一。一两体系热 力学参数状态 图%.7#:0 1:39 1:51=,527,10 12、5:15 7#,5#05:5:翎。一7 1:#.:,5,5!5:6;06?5:,.%一%.】于淑娟,杨大,徐大勇,等.一种高炉风管及其制备方法.中国专利日 请号%.一卜 生.?!1,1:,(126,。,%.0:101586:5636;1+7,:#.一:15 66%.,%一.;1:,6,/!:,。以.:一:5 15
12、,6 61,:15866;5:0125:一:3=2。5,:60=!5.6 56+5!2:0:【月.0 6?5:):,7#%一.阵张学军,郑水挺,韩杰才.燃烧 合成制备?,月一 一?,4陶瓷的显微结构.硅酸盐学报,.7%#%一%./(58:!,/6 58,一:1,.:0 1:#.,7%#%一%.%张作 泰,赛音巴特尔,李文超.7#一丁,复合材料的合成及艺优化.硅酸盐 片报,.%7#一%,/!651.,?一=15:0,:16.,:0 1:#,%7#一%,.张衍诚潘冶,张传.含稀释剂 的 一4 0/6体系燃烧合成反应热力学分析与反应模型 .中国工程科学,7#一./1:9:,/!1.1?4以,:#.,
13、7#一.【1:,/!:,1:,以.):1 45,6 32 1一:60=!5一625:,25:6一:,%7#一 .梁英教,车荫昌5无机物热力学数据手册.沈 阳东北大学出版社,%5 一%.,16,:一:1.1 3 :6;6 01一:0:#.?:21!=一 6,5 2,%一%四叶大伦.实用尤机物热力学数据手册【.北京冶金 公版社.%一,一.1!.13 :6;,:3 60 1.:0 63 2 1:#.:,、!=、:3=2:十1 !0,:1 3!50 20:.%.一,一.%李文超、文洪杰、杜雪岩,等.新塑耐火材料理论从础近代陶瓷 复合材料的 物理化 学没汁【.北 京地 质出 版社,%.一 .:16,6,:.(!:21,%.:60:5,:1 1 一6;:):;0 1:560 215:0 一 1 2:1:0 ,:1:一 6;63:0:01,:65:7 旧:#.:,二:6 6.:1!=8,90:,%.一 口 陈肇友.化学热 力学 与耐火材料【北京冶金 仁出版社,7#.%,%页./1626!.:一:1:0 632 16;):5 2 1:56:7一 汇 :#.:一一 只:51 !0只一:1 3!00 20:.口%,%