[科普中國(guó)]-硅化作用

硅化作用指巖石在熱液作用下，產(chǎn)生含有石英、玉髓、蛋白石、似碧玉等蝕變礦物的作用。從高溫到低溫?zé)嵋簵l件下，各種巖石都可發(fā)生硅化作用。另外，高古玉類的硅化現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，得到非高溫下的年久后某些條件影響的硅化表現(xiàn)。比如紅山或泛紅山玉器中有很多這種現(xiàn)象。在生活中常采用高溫等方式促進(jìn)表面硅化或作硅化處理，可用來(lái)制備抗氧化涂層等。

簡(jiǎn)介硅化作用常常被描述為“石化作用”，石化作用是有機(jī)組織被礦物取代，逐漸變成化石的過程。古生物的遺骸，只有在冷藏，在冰原中埋藏，或在其他適宜條件下，才能夠保存其柔軟部分或柔軟部分的痕跡。

斷裂帶中硅化巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造種類繁雜，就其硅化程度，在弱硅化巖，交代殘余硅化巖和強(qiáng)硅化巖中的表現(xiàn)不同。依其斷裂構(gòu)造巖的類型，在碎裂巖、碎斑巖、碎粒巖、粒化巖、糜棱巖、片麻糜棱巖和磨礫巖中的表現(xiàn)也不同。

硅化可能經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間，石英顆粒由小到大：結(jié)晶程度由他形到自形。按照熱力學(xué)平衡因素，溫度、壓力、濃度和化學(xué)組分的活動(dòng)及化學(xué)位等所決定的滲濾交代作用和擴(kuò)散交代作用，從而形成細(xì)脈狀和浸染狀的交代形態(tài)。據(jù)精細(xì)觀察,在偏光鏡下顯示浸染狀態(tài)，在掃描電鏡下卻表現(xiàn)明顯的細(xì)脈狀形態(tài)1。

表面硅化對(duì)復(fù)合材料的影響金剛砂又名碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽）等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。 碳化硅又稱碳硅石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種，可以稱為金鋼砂或耐火砂。 目前中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25。

SiC 以其相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù)，高溫下氧化形成的二氧化硅玻璃質(zhì)保護(hù)膜有效阻止氧的擴(kuò)散滲透，有一定的自愈合性質(zhì)，具有1650攝氏度的較高抗氧化能力，被用來(lái)制備C/C復(fù)合材料抗氧化涂層。在制備SiC涂層的方法中，擴(kuò)散法是主要的一種。采用Si 擴(kuò)散反應(yīng)生成的SiC涂層，由于在C/C復(fù)合材料基體上會(huì)出現(xiàn)成分和組織的梯度過渡層，降低了涂層與基體間因熱膨脹失配而產(chǎn)生的應(yīng)力和因組織結(jié)構(gòu)突變引起的組織應(yīng)力，在一定程度上降低了涂層的開裂趨勢(shì)，并且提高了與基體的結(jié)合強(qiáng)度，使SiC涂層具有良好的抗氧化性能。對(duì)于擴(kuò)散法，SiC 涂層取決于基體中Si的擴(kuò)散機(jī)制和基體與Si的反應(yīng)過程。C/C復(fù)合材料屬于多相組織，不同的相結(jié)構(gòu)對(duì)Si擴(kuò)散的影響和與Si的反應(yīng)能力存在差別，這將影響到SiC 涂層的生成2。

曾燮榕等對(duì)C/C復(fù)合材料表面固相擴(kuò)散滲硅工藝制備的SiC 涂層以及基體組織的影響進(jìn)行了分析研究。

相關(guān)結(jié)論如下：

1 ）擴(kuò)散工藝對(duì) C/C復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)的影響表現(xiàn)為深入基體內(nèi)部，沿著 C/C復(fù)合材料的碳布疊層界面、纖維束與纖維束界面、基體的孔隙等缺陷分布有擴(kuò)散反應(yīng)生成的SiC 薄層。

2 ）硅的擴(kuò)散反應(yīng)對(duì)碳纖維影響不大，熱解碳易與Si反應(yīng)生成 SiC ，而分布于此基體上的碳纖維未與Si發(fā)生明顯反應(yīng)，碳纖維比基體碳具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3 ）對(duì)于 C/C復(fù)合材料采用擴(kuò)散法制備SiC 涂層時(shí)，在涂層達(dá)到一定厚度后，硅化反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)幾乎不影響涂層的厚度。

硅化處理對(duì)石墨化度的影響對(duì)炭纖維在真空爐中進(jìn)行2100℃硅化處理。用SEM分析了炭纖維在硅化處理前后表面形貌的變化，利用能譜測(cè)定了其硅化處理后的成分變化并加以分析，用X射線衍射分析了熱處理和硅化處理后的炭纖維石墨化度的變化。結(jié)果表明：處理后的炭纖維出現(xiàn)富C的SiC表層，內(nèi)部為含有SiC的C芯，并伴隨有類球狀Si C顆粒的形成。沿炭纖維徑向分布的SiC含量呈現(xiàn)梯度分布，其芯部的SiC含量為2.46%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，靠近表層的Si C含量增加到7.53%。表面的SiC含量達(dá)到13.25%；纖維表面的類球狀顆粒為含C的Si C顆粒，其中Si C的含量為30.55%。在2100℃熱處理的炭纖維石墨化度幾乎為0，而在2100℃硅化處理的炭纖維石墨化度高達(dá)48.5%3。

相關(guān)產(chǎn)物花崗巖類巖石，經(jīng)高溫?zé)嵋旱墓杌饔?，可形成富石英云英巖。高、中溫?zé)嵋荷傻墓杌瘞r石，主要由石英組成。這種蝕變，可稱為石英化(quartzification)。低溫?zé)嵋核傻墓杌瘞r石，常由細(xì)粒石英或隱晶質(zhì)的玉髓以及非晶質(zhì)的蛋白石、似碧玉等組成。因此，分別稱為玉髓化、蛋白石化和似碧玉化。

在火山巖地區(qū)，硅化巖石(含高鋁礦物，如剛玉、紅柱石等)稱為次生石英巖。沿著斷裂帶，常發(fā)育規(guī)模巨大的硅化帶。有關(guān)的礦產(chǎn)，主要有銅、鉬、鎢、鉛、鋅、鈾、金、銻、汞、螢石、黃鐵礦、赤鐵礦、壓電水晶和重晶石等。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

屈明 - 副研究員 - 西南大學(xué)