低硅铝锆碳滑板的性能研究

针对传统的以锆莫来石为原料的铝锆碳滑板中SiO2含量较多,在浇铸钙处理钢时侵蚀严重的问题,用部分稳定ZrO2(PSZ)代替锆莫来石原料,加入板状刚玉、活性α-Al2O3、炭黑、Si粉、B4C粉和热固性酚醛树脂,分别在1300℃、1400℃、1500℃烧后制成了低硅铝锆碳滑板,并测定了试样的抗渣性、热膨胀系数、膨胀率和热震后强度损失率。结果表明:低硅铝锆碳滑板的烧成温度以1300~1400℃为宜,在此温度下烧成的试样性能优良,其抗热震性和抗渣性均优于以锆莫来石为原料的传统铝锆碳滑板。     

矾土基锆刚玉对铝碳材料性能的影响

以电熔白刚玉、熔融石英(粒度≤0.5 mm)为骨料,鳞片石墨(粒度≤0.15 mm)、电熔白刚玉粉(粒度≤0.088 mm和≤0.045 mm)、矾土基锆刚玉(粒度≤0.088 mm)为基质,热固性酚醛树脂作结合剂,压制成125 mm×25 mm×25 mm的试样,经200℃固化24 h后,在埋炭条件下经1 200℃保温2.5 h烧制成碳质量分数为28%的铝碳材料。研究了用质量分数分别为3%、6%、9%、12%的矾土基锆刚玉等量替代铝碳材料中的石墨对其常温物理性能、热态强度和抗氧化性的影响,并采用SEM分析烧成后试样的显微结构。结果表明:(1)随着矾土基锆刚玉加入量的增加,试样的显气孔率下降,体积密度增加,常温和高温抗折强度升高,抗氧化能力增强;(2)矾土基锆刚玉的加入量超过6%,试样的抗热震性显著下降;矾土基锆刚玉取代碳的量不宜超过6%。     

硼改性酚醛树脂加入量对铝碳材料性能的影响

为了改善铝碳材料的性能,以质量分数为40%的电熔刚玉(1~0.2 mm)、30%的Al2O3微粉(≤0.01mm)、25%的鳞片石墨(≤0.3 mm)、5%的添加剂(≤0.047 mm)为主原料,外加有机硼改性酚醛树脂粉和普通的酚醛树脂粉作为结合剂制备了铝碳材料。用热重分析法测定了树脂的残碳量,按相关标准测定了铝碳材料的常温抗折强度、高温抗折强度、显气孔率、抗氧化性、抗热震性,研究了硼改性酚醛树脂加入量(质量分数分别为0、2%、4%、6%、8%)对铝碳材料性能的影响。结果发现:硼改性树脂的残碳量较高;加入硼改性酚醛树脂不利于铝碳材料的强度,但可以提高铝碳材料的抗氧化性和抗热震性。     

金属铝结合镁-尖晶石-碳滑板的研制

研究了不同添加物(电熔刚玉、镁铝尖晶石、碳化硅和阿隆)对镁碳材料物理性能和抗热震性的影响,炭素种类对镁碳材料物理性能和抗氧化性的影响以及抗氧化剂种类和加入方式对镁碳材料常温抗折强度和抗氧化性的影响,根据确定的最佳添加物研制连铸钢包用滑板材料。结果表明:加入镁铝尖晶石有利于提高材料的抗热震性;与炭黑相比,添加597微细石墨可显著提高材料的常温抗折强度、致密度以及抗氧化性;以碳化硼和硅粉作为复合添加剂,有利于提高材料中、高温处理后的常温抗折强度,同时也提高了材料的抗氧化性;研制的镁-尖晶石-碳滑板材料在实际使用中的抗拉毛性优于重烧铝锆碳滑板,达到了钢厂的使用要求。     

铝碳滑板的高温力学性能研究

采用高温弯曲应力-应变试验方法和水冷法研究了3种含碳滑板(2种铝碳质,1种铝锆碳质)在不同温度下的应力-应变关系、抗折强度以及不同热震温差下的抗热震性能。结果表明1)含碳滑板材料在室温~1400℃的应力-应变关系分为弹性变形和塑性变形两个阶段在弹性变形的温度段,其断裂方式是典型的脆性断裂;在塑性变形的温度段,其断裂方式呈现韧性断裂特征;2)随着温度的升高,含碳滑板材料的热态抗折强度首先略有增大,到达转折温度(800℃)后开始减小,1400℃时试样的热态抗折强度约为13MPa;3)在ΔT=1200℃(水冷)条件下,铝碳滑板热震后的抗折强度保持率为43%,引入ZrO2可以改善其抗热震性,而用特级高铝矾土熟料部分替代刚玉会降低其抗热震性。     

沥青种类和硝酸镍对铝碳材料性能与结构的影响

为了提高低碳铝碳耐火材料的抗热震性,分别选用环保沥青Carbores P、中间相沥青和高温沥青,以硝酸镍为催化剂,研究了沥青种类和催化剂对低碳铝碳材料常温和高温强度、抗热震性能及显微结构的影响,并探讨了沥青种类对催化改性低碳铝碳耐火材料中纤维碳生成的影响。结果表明:加入3种沥青的低碳铝碳试样,在催化剂作用下均生成了一定量的纤维状纳米碳;同时加入沥青和催化剂,更有利于提高铝碳材料的常温和高温强度及抗热震性;与加入高温沥青相比,加入环保沥青Carbores P和中间相沥青的催化改性铝碳材料中形成了较多且长的纤维状纳米碳,使材料的常温和高温抗折强度及抗热震性显著提高。     

纳米炭黑对铝锆碳滑板的制造及其性能的影响

炭素材料的选用不但影响铝锆碳滑板的混练、成型和烧成等,而且影响铝锆碳滑板使用时的抗氧化性等高温性能,从而影响铝锆碳滑板的使用寿命。炭黑具有纯度高,粒径小而均匀,易于分散和混合等特点。本工作采用不同粒度的炭黑制成铝锆碳试样,通过检验试样的性能优选出最佳粒度的炭黑     

浸渍沥青对不烧铝碳质滑板性能的影响

以板状刚玉(3～1,≤1和≤0.044 mm)、活性α-Al<,2>O<,3>微粉(≤5 μm)、鳞片石墨(≤0.154 mm)、铝粉(≤0.074 mm)和硅粉(≤0.044 mm)等为原料制成不烧铝碳滑板,并将部分滑板在温度240 ℃、真空度40 Pa、压力1.4 MPa条件下分别保压1、1.5、2和2.5 h进行浸渍中温沥青的处理,探讨了不烧滑板浸渍前后的性能变化.试验证明,浸渍沥青可以显著改善不烧铝碳质滑板的各种性能.浸溃后,不烧滑板的显气孔率可降至1%以下,体积密度和耐压强度增大;浸渍滑板的抗热震性明显优于未浸渍滑板;浸渍滑板的中低温强度和高温强度均高于未浸渍滑板.实际使用结果也说明浸渍滑板使用性能好于未浸渍滑板.不烧铝碳质滑板浸渍前后的性能改变主要是由于沥青通过浸渍进入滑板,改善了滑板内部结构,增强了碳结合.     

Si粉和Al粉对N2保护热处理铝碳材料性能和显微结构的影响

为改善含碳材料埋炭保护热处理时的操作条件,并为提高含碳材料性能开辟新的途径,对添加Si粉或Al粉的铝碳材料在N2气氛中1200℃热处理5 h,测定试样热处理前后的质量变化率、抗折强度、体积密度、显气孔率、抗热震性、热膨胀系数和抗氧化指数,并用扫描电镜和XRD分析试样的显微结构和物相组成.结果发现,采用N2保护热处理工艺同埋炭热处理工艺一样可防止碳氧化,使铝碳材料形成碳结合并具有较好的性能指标.与添加Si粉的试样相比,添加Al粉的试样在热处理后具有较高的高温强度和较低的热膨胀系数;反应生成的Al2OC和AlN有益于材料抗热震性能和强度的提高,并减轻了其在埋炭保护热处理后由于生成Al4C3而产生的严重水化现象.部分Si粉与气氛反应生成纤维状的β-SiC、SixN和粒状的Si2N2O,它们对铝碳材料具有明显的增强作用.     

加入β-SiAlON对铝碳质材料性能的影响

以白刚玉、熔融石英(≤0.5mm)为骨料,鳞片石墨(≤0.15mm)、白刚玉(≤0.088mm和≤0.045mm)、矾土基β-SiAlON(≤0.088mm)以及添加剂为基质料,酚醛树脂作结合剂,在骨料与基质的质量比为35∶65的基础上,分别用0、7%、14%、21%、28%的矾土基β-SiAlON取代铝碳质材料中的石墨,经等静压成型后,试样于180℃固化24h,并在埋炭条件下于930℃热处理,研究了β-SiAlON加入量对处理后试样常温物理性能、抗氧化性、高温机械性能和抗热震性的影响。结果表明:(1)随着β-SiAlON加入量的增加,试样的显气孔率显著上升,体积密度降低,常温和高温抗折强度下降,抗氧化能力变差;(2)与原铝碳材料相比,加β-SiAlON的试样抗热震性均有所降低,但仍保持了良好的抗热震性,在1100℃热震温差下水冷3次和5次后的强度保持率均在90%和75%以上;(3)从降低C含量的角度考虑,在不显著降低铝碳材料性能的情况下,β-SiAlON加入量以7%左右较为适宜,此时试样仍具有较好的抗氧化性和高温抗折强度。     

高铝-尖晶石-炭不烧水口砖的研制及应用

以高铝矾土熟料、烧结合成镁铝尖晶石砂为主要原料，加入5％～10％鳞片状石墨，外加6％甲阶酚醛树脂为结合剂，可制得气孔率低、体积密度高、强度大、抗热震、耐侵蚀的高铝－尖晶石－炭质不烧水口砖。     

不同碳含量对镁碳砖性能的影响

研究了碳含量的变化对镁碳砖抗渣侵蚀性、抗氧化性能、高温抗折强度和热震稳定性的影响。研究结果表明：随碳含量增加,镁碳砖的体积密度、耐压强度降低;碳含量在6%~8%时,镁碳砖的高温抗折强度、热震稳定性、抗渣侵蚀性及抗氧化性能好;碳含量低,镁碳砖的抗渣侵蚀性降低;碳含量为14%时,镁碳砖的抗氧化性能最差。     

天然鳞片石墨/环氧树脂复合材料的制备及导热性能研究

以天然鳞片石墨为导热填料,E44型环氧树脂为基体,采用超声分散法制备天然鳞片石墨/环氧树脂复合导热材料.系统考察了天然鳞片石墨用量、石墨粒度和炭黑添加量等因素对复合材料导热性能的影响.结果表明:随着天然鳞片石墨用量增加,复合材料的导热系数增大,抗压强度先增加后减小;复合材料的导热系数随天然石墨粒径的增大而增大,抗压强度先减小后增加;在石墨/环氧树脂复合导热材料中添加不同用量的炭黑时,随着炭黑添加量的增加,复合材料的抗压强度增大,导热系数先增大后减小.制备天然鳞片石墨/环氧树脂复合导热材料的最佳配方为天然鳞片石墨用量45％,粒径≤270 μm,炭黑用量2％.     

Synergistic Effects of Carbon Fillers of Phenolic Resin Based Composite Bipolar Plates on the Performance of PEM Fuel Cell

The most essential and costly component of polymer electrolyte membrane fuel cells is the bipolar plate. The production of suitable composite bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cell with good mechanical properties and high electrical conductivity is scientifically and technically very challenging. This paper reports the development of composite bipolar plates using exfoliated graphite, carbon black, and graphite powder in resole‐typed phenol formaldehyde. The exfoliated graphite with maximum exfoliated volume of 570 ± 10 mL g⁻¹ used in this study was prepared by microwave irradiation of chemically intercalated natural flake graphite in a few minutes. The composite plates were prepared by varying exfoliated graphite content from 10 to 35 wt.% in phenolic resin along with fixed weight percentage of carbon black (5 wt.%) and graphite powder (3 wt.%) by compression molding. The composite plates with filler weight percentage of 35/5/3/exfoliated graphite/carbon black/graphite powder offer in‐plane and trough‐plane electrical conductivities of 374.42 and 97.32 S cm⁻¹, bulk density 1.58 g cm⁻³, compressive strength 70.43 MPa, flexural strength 61.82 MPa, storage modulus 10.25 GPa, microhardness 73.23 HV and water absorption 0.22%. Further, I–V characteristics notify that exfoliated graphite/carbon black/graphite powder/resin composite bipolar plates in unit fuel cell shows better cell performance compared exfoliated graphite/resin composite bipolar plates. The composite plates own desired mechanical properties with low bulk density, high electrical conductivity, and good thermal stability as per the U.S. department of energy targets at low filler concentration and can be used as bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells.     

氧化铝微粉加入量对低碳镁碳砖性能的影响

以电熔镁砂、石墨、金属Al和氧化铝微粉为主要原料,热塑性酚醛树脂为结合剂,制备了w(C)5%的低碳镁碳砖试样,研究了氧化铝微粉加入量(其质量分数分别为0、3%、5%、7%、9%)对低碳镁碳砖的常温物理性能、抗热震性和抗氧化性的影响。结果表明:(1)随着氧化铝微粉加入量的增加,低碳镁碳砖试样的体积密度、常温强度和高温强度均先升高后降低,显气孔率则先降低后升高;抗热震性和抗氧化性随微粉加入量的增加呈先改善后变差的趋势;其中,微粉加入量为5%的低碳镁碳试样综合性能最好。(2)低碳镁碳砖试样性能的改善主要是由于加入的氧化铝微粉和MgO在高温下原位反应生成连续分布的尖晶石,增强了基质的陶瓷结合;但氧化铝微粉加入量过大时,由于大量原位反应引起材料产生过大的体积膨胀,会导致基质结构疏松,从而恶化镁碳砖的性能。     

Effects of expanded graphite content on the performance of MgO-C refractories

Expanded graphite was introduced into a MgO-C refractory to suppress its thermal expansion and thus enhance thermal shock resistance. The refractory was prepared by mixing MgO powders (particle size = 75 μm and 1 mm), antioxidant and curing agents, flake and expanded graphite, and a novolak-type phenolic resin at 50°C. This was followed by aging at 20°C for 24 h, compacting by uniaxial pressing, curing at 210°C for 5 h, and heat treatment at 1500°C. With an increase in expanded graphite content from 0 to 4 wt.%, the bulk density decreased, apparent density remained unchanged, and apparent porosity increased. The gaps created in the vicinity of MgO particles because of this increase in apparent porosity buffered the thermal expansion of MgO. This increased resistance to thermal shock up to 1500°C. However, the increase in expanded graphite content also had a detrimental effect reflected in the decrease in fracture strength and increase in the residual strain after repeated thermal shock. This contradiction indicates that composition optimization is important for the practical performance enhancement of MgO-C bricks. The optimum content of the expanded graphite was determined as 2 wt.%.     

低碳MgO-C材料的抗热震性研究

以电熔大结晶镁砂、天然鳞片石墨、纳米炭黑、酚醛树脂、铝粉等为主要原料制备w(C)=3%的低碳MgO-C材料,以其抗热震性为考核指标,选取颗粒级配、复合抗氧化剂、石墨粒度和复合结合剂4个因素,进行了四因素三水平正交试验。结果表明:在本试验范围内,颗粒级配是影响低碳MgO-C材料抗热震性的主要因素,复合抗氧化剂次之,石墨粒度和复合结合剂的影响基本相当;通过极差分析确定,镁砂颗粒级配(3～1、1～0.088和≤0.088mm的镁砂的质量比)采用50:23:27,复合抗氧化剂采用Al2.5+Mg-Al0.5+B4C0.5,石墨粒度采用10μm的,复合结合剂采用炭黑N220+沥青+酚醛树脂,可制备出抗热震性最佳的低碳MgO-C材料。     

Influence of bonding carbon on low carbon Al2O3-C refractory composites

The carbonized behavior of binders (carbores pitch, mesophase pitch, high temperature pitch and phenolic resins) was investigated. Meanwhile, the influence of binders, Ni-catalyst and heat treatment on structure and properties of low carbon Al₂O₃-C materials was researched. Mesophase pitch and high molecular weight resin provided higher carbon yield. The synergistic interaction of pitch and phenolic resin provided the higher carbon yield than that of single component. Ni-catalyst changed structure and morphology of bonded carbon promoting the transition of amorphous carbon to crystalline carbon increasing carbon yield and degree of graphitization. High molecular weight phenolic resins, mesophase or carbores pitch and Ni-catalyst worked together providing low carbon Al₂O₃-C samples of excellent strength performance in a wide temperature range and high resistance of thermal shock. Embedding coke in N₂ could promote the generating of carbon fibers which obviously enhanced thermal shock resistance of low carbon (6% flake graphite) Al₂O₃-C materials after heat treatment.     

B4C-C复合粉体的合成及其在低碳镁碳砖中的应用

以炭黑和硼酸为原料,采用碳热还原法合成了部分石墨化B4C-C复合粉体,并将其作为碳源和抗氧化剂用于低碳镁碳砖中. 研究了加热温度对B4C-C复合粉体合成的影响,分析了其物相结构、成分、形貌和粒度. 通过测定低碳镁碳砖的常规物理性能、抗氧化性和热震稳定性,考察了复合粉体对低碳镁碳砖性能的影响. 结果表明,随加热温度升高,B4C-C复合粉体的石墨化度增大,B4C含量下降,1900℃时石墨化度达23.26%,B4C含量为20%左右,复合粉体中除部分微米、亚微米级的B4C外,85%以上为纳米级的B4C和部分石墨化炭黑. 添加复合粉体的低碳镁碳砖具有良好的常规物理性能、抗氧化性和热震稳定性.