题目：石墨电极导电抗氧化涂层的制备及表征

      石墨电极属于碳材料中应用最为广泛的一种材料，其具有诸多优点，如良好的导电性和导热性、热膨胀系数低、重量轻、化学性质稳定、易加工，优良的抗热冲击性能等。冶金企业中石墨电极主要应用于电炉炼钢，该电极结构并非理想的点阵结构，其存在一定的晶格缺陷，另外还存在一些杂质，不饱和键以及内应力。这些部位对氧气的吸附和反应能力比较强，这就为石墨电极提供了活性位点，这些活性位点在温度高于350 ℃时开始发生氧化反应，且随着温度的升高而加剧。电炉炼钢中石墨电极的侧面氧化是由于炉内的氧气和石墨电极发生氧化反应生成CO和CO2，该消耗占石墨电极总消耗的50～70％。为了降低石墨电极的消耗，国内外学者展开了石墨电极抗氧化方面的研究工作。

      本课题采用料浆刷涂法制备得到石墨电极导电抗氧化涂层。该方法是将抗氧化剂、润湿剂、混合溶剂、导电剂混合制成浆料，充分搅拌后以真空浸渍敷于石墨电极基体表面，经烘干后在惰性气体气氛下高温热处理制备得到石墨电极导电抗氧化涂层。分析了涂料中各组分的比例对涂层的完整性、抗氧化性和导电性的影响，从而确定了涂料中各组分的比例。通过SEM分析和抗氧化性能的测试分析了热处理温度、浸渍次数、氧化时间对涂层完整性和抗氧化性的影响，同时采用XRD分析了试样出现增重的原因。

     （1）综合考察了涂料中抗氧化剂（碳化硼）、润湿剂（铬粉）和混合溶剂（硅溶胶）的比例对涂层完整性和抗氧化性的影响。当涂料的配比为碳化硼：氧化硼：铬粉：石墨粉：炭黑：混合溶剂 = 6:2:2:1:1:12（质量比），混合溶剂的配比为水：硅溶胶：乙醇：羧基丁苯乳胶：萘磺酸甲醛缩合物钠盐 = 66:30:2:1:1（质量比）时，基体在该配比涂料中浸渍2 h后，再经1400 ℃热处理，得到抗氧化涂层。试样在静态空气下，经1000 ℃和800 ℃氧化1 h后，氧化失重分别为0.0054 g/cm2和-0.0083 g/cm2；试样在25 mL/min的空气气氛下，经1200 ℃和1300 ℃氧化1 h后，氧化失重分别为-0.0216 g/cm2和-0.0057 g/cm2。结果表明，该配比抗氧化涂层具有良好的抗氧化性，但试样氧化前后涂层完整性不是很理想，不适合在高温环境下长时间使用。

    （2）为了得到高温下完整涂层，本课题采用表面处理剂对基体进行表面处理，然后再进行表面涂覆。涂料粘度在400~500 mpa•s范围内，考察了涂料中铬粉和混合溶剂的含量对涂层完整性和抗氧化性的影响。当涂料的配比为碳化硼：氧化硼：铬粉：石墨粉：炭黑：混合溶剂 = 6:2:8:1:1:18（质量比），混合溶剂的配比为水：硅溶胶：乙醇：羧基丁苯乳胶：萘磺酸甲醛缩合物钠盐 = 66:30:2:1:1（质量比）时，基体在该涂料中浸渍2 h后，再经1400 ℃热处理，得到抗氧化涂层。试样在静态空气下，经1000 ℃氧化1 h后，氧化失重为0.0617 g/cm2，且试样氧化前后涂层完整性很好，表明该配比抗氧化涂层可在高温下长时间使用。

    （3）为了提高涂层的导电性，考察了石墨粉和混合溶剂的含量对涂层导电性、完整性和抗氧化性的影响。当涂料的配比为碳化硼：氧化硼：铬粉：石墨粉：混合溶剂 = 6:2:8:2.5:18（质量比），混合溶剂的配比为水：硅溶胶：乙醇：羧基丁苯乳胶：萘磺酸甲醛缩合物钠盐 = 66:30:2:1:1（质量比）时，基体在该配比涂料中浸渍2 h后，再经1400 ℃热处理，得到抗氧化涂层。该配比抗氧化涂层的电阻率为9 × 10-7 Ω•m。试样在静态空气下，经1000 ℃恒温1 h后，氧化失重为-0.015 g/cm2，且试样氧化前后涂层完整性很好，故该配比为涂料的最佳配比。

    （4）在最佳配比条件下，考察了400~1400 ℃温度范围内，热处理温度对涂层完整性和抗氧化性的影响。结果表明，当热处理温度为800 ℃时，SEM图片表明，涂层表面完整性很好。试样在静态空气下，经1000 ℃氧化1 h后，氧化失重最小且为-0.017 g/cm2。故本课题最佳热处理工艺：热处理温度为800 ℃，保温时间为1 h，氮气流量为60 mL/min。

    （5）在最佳配比和最佳热处理工艺条件下，考察了浸渍次数对涂层完整性和抗氧化性的影响。结果表明，涂层完整性随着浸渍次数的增加而变得更加完整；试样的氧化失重随着浸渍次数的增加而降低。

    （6）在最佳配比和最佳热处理工艺条件下，考察了氧化时间对涂层完整性和抗氧化性的影响。结果表明，涂层的完整性随着氧化时间的延长而逐渐变差，在静态空气800 ℃下，试样恒温35 h后的氧化失重仅是基体恒温1 h的0.13倍；在静态空气1000 ℃下，试样恒温15 h后的氧化失重仅是基体恒温1 h的0.5倍左右；在1200 ℃空气流量25 mL/min下，试样恒温15 h后的氧化失重和基体恒温1 h的相等；在1300 ℃空气流量25 mL/min下，试样恒温10 h后的氧化失重仅是基体恒温1 h的0.3倍左右。故该配比涂料抗氧化涂层在高温氧气气氛条件下长时间且有效的保护了石墨电极。

    （7）在最佳配比和最佳热处理工艺条件下，采用XRD分析了试样出现氧化增重的原因。结果表明，试样经800~1300 ℃恒温氧化1 h后，涂层内部的Cr和B4C被氧化生成Cr2O3和B2O3、CrBO3、Cr2C和CrB。在氧化过程中，引入了空气中部分氧气，使得试样出现增重现象。