【用戶成果】實時捕捉界面反應(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)院范冰冰教授團隊在硅酸鹽通報上發(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)院范冰冰教授團隊在硅酸鹽通報上發(fā)表了題為“SiC與耐熱鋼在高溫真空中的界面反應(yīng)機制研究”的論文。本研究針對真空與高溫環(huán)境下SiC與耐熱鋼的界面反應(yīng)進行了系統(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SiC與金屬界面在反應(yīng)過程中的形態(tài)演變進行了實時觀察與記錄。

      研究背景







      碳化硅（SiC）陶瓷因脆性大而應(yīng)用受限，與金屬復(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)機制，為該復(fù)合襯里的設(shè)計與安全評估提供理論依據(jù)。

      研究方法







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

      界面反應(yīng)過程







      SiC和Cr24Ni7S組成的擴散偶從50℃加熱到1200℃，并在1200℃保持8h?的界面反應(yīng)過程，整個反應(yīng)過程在真空度為10 Pa的條件下進行，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 ℃之前接觸角沒有明顯變化。然而，當(dāng)溫度達到1000 ℃時，接觸角出現(xiàn)較大的波動，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，接觸角的變化幅度逐漸變小，表明界面反應(yīng)趨于平衡。隨著保溫時間的延長，Cr24Ni7S?在接觸面處出現(xiàn)大面積的熔化，當(dāng)保溫時間超過240min時，接觸角趨于穩(wěn)定，這是因為與SiC接觸的Cr24Ni7S已全部熔化。
      圖8為在界面反應(yīng)過程中碳化硅陶瓷和Fe接觸角隨時間和溫度的變化圖像。當(dāng)溫度逐漸升高到1400℃過程中，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℃的保溫時間延長，純鐵在短時內(nèi)整體熔化。
      Cr24Ni7S在1200℃、10Pa條件下對SiC的侵蝕過程
      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)進行。
      2)低熔點硅鎳化合物熔化后，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?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試儀，可實現(xiàn)高溫高真空表界面性能測試，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)律的專用科研裝置，可實現(xiàn)高溫、高真空條件下材料的表界面性能測試。該儀器能夠?qū)Φ腿埸c材料在升、降溫過程中的收縮、變形、熔化、潤濕、鋪展及凝固行為進行圖像化、定量化表征。






      中環(huán)電爐部分產(chǎn)品系列