一種多孔賽隆復相陶瓷及其製備方法
2023-04-27 05:27:41 1
一種多孔賽隆復相陶瓷及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種多孔賽隆復相陶瓷，按質量百分比其組成為：蘭炭20%～45%、粉煤灰10%～30%、氧化鋁5%～25%、氮化鋁2%～8%、矽5%～25%、粘結劑3%～12%以及無機溶膠5%～20%，以上組分的質量百分比之和為100%。製備方法為：分別稱取蘭炭粉末、粉煤灰粉末、氧化鋁粉末、氮化鋁粉末、矽粉末、粘結劑以及無機溶膠。經過溼法球磨工藝製得混合粉末，乾燥後加入到粘結劑中，形成顆粒原料。將顆粒原料裝入模具型腔內，模壓成生坯。對生坯進行碳熱還原氮化，用無機溶膠對生坯進行浸漬處理，得到預燒結體。再對預燒結體進行後處理燒結，即製得多孔賽隆復相陶瓷。本發明的製備方法成本低廉、工藝簡單；在大大降低製備成本的同時，可獲得較高的材料強度。
【專利說明】一種多孔賽隆復相陶瓷及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於賽隆復相陶瓷【技術領域】，具體涉及一種多孔賽隆復相陶瓷，本發明還涉及該陶瓷的製備方法。
【背景技術】
[0002]多孔賽隆(SiAlON)復相陶瓷具有熱膨脹係數低、密度低、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性和抗熱震性好等特點，廣泛用作隔熱材料、過濾材料、化學催化劑載體以及保溫隔音材料等。目前，常見的製備方法有如下幾類:
[0003](I)碳熱還原氮化法(CRN)
[0004]碳熱還原氮化法的原理是用C作為還原劑，在N2氣氛中加熱到1400°C以上，具有高度還原性的C打開S1-O鍵，並形成C-O鍵，處於不飽和狀態的Si與Al2O3等氧化物以及N原子結合達到飽和，從而形成SiAlON。這種方法的優勢是可以使用成本低廉的原料、工藝簡單，這使得其大規模推廣成為可能。因此儘管由於成品中往往含有殘碳、氮化鋁、氧化鋁等雜質大幅降低了材料的力學性能，但碳熱還原氮化法仍然是目前製備多孔賽隆(SiAlON)陶瓷最有工業應用潛力的一種方法。
[0005]( 2 )金屬(招熱/矽熱)反應氮化法
[0006]鋁熱/矽熱反應氮化法是另一種重要的製備方法，與碳熱還原氮化法不同，其原理是用Al或者Si來做活性成分，加入氧化矽後，在高溫下通入氮氣，直接合成多孔賽隆製品的一種方法。
`[0007]( 3 )高溫固相反應法
[0008]高溫固相反應法也叫直接合成法，直接以Si3N4、AlN和Al2O3等為原料，根據系統相圖設計配方，然後嚴格按照配方配料，經過高溫反應合成多孔SiAlON陶瓷。由於這種方法使用了嚴格的化學劑量配比、較純的原料和較高的燒結溫度，因此可以很容易地通過改變原料組成來控制各相的比例，從而獲得符合性能要求的製品，製得材料的雜質含量低，因而能獲得較好的高溫性能。但較純的原料成本也較高，因此限制了這種方法應用於大規模的多孔SiAlON陶瓷的生產和應用。
[0009]目前製備賽隆多孔材料的各種方法中，用高純原料按化學計量比進行合成的方法雖然可以獲得較佳的材料性能，但其對原料的要求比較高，推高了材料的成本；而使用低純度原料的碳熱還原方法所製成的成品中由於殘碳的存在往往又強度較低，當氣孔率達到50%以上時，其強度往往低於30MPa，過低的強度限制了以碳熱還原方法獲得的多孔賽隆材料的廣泛應用。因此，目前還沒有以低成本碳為原料製備的具有較高強度的多孔賽隆陶瓷。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是提供一種多孔賽隆復相陶瓷，該陶瓷材料具有較高的強度。
[0011]本發明的另一目的是提供上述多孔賽隆復相陶瓷的製備方法，解決了現有高強度多孔賽隆陶瓷製備方法生產成本高的問題。[0012]本發明所採用的技術方案是:一種多孔賽隆復相陶瓷，按質量百分比其組成為:蘭炭20%~45%、粉煤灰10%~30%、氧化鋁5%~25%、氮化鋁2%~8%、矽5%~25%、粘結劑3%~12%以及無機溶膠5%~20%，以上組分的質量百分比之和為100%。
[0013]本發明的特點還在於，
[0014]粘結劑為酚醛樹脂或者PVB，無機溶膠為氧化鋁溶膠、氧化矽溶膠以及氧化鈦溶膠中的任意一種，或者任意兩種的混合，或者任意三種的混合。
[0015]本發明所採用的另一技術方案是:製備上述多孔賽隆復相陶瓷的方法，按照以下步驟實施:
[0016]a:首先，按以下質量百分比分別稱取20%~45%的蘭炭粉末、10%~30%的粉煤灰粉末、5%~25%的氧化鋁粉末、2%~8%的氮化鋁粉末、5%~25%的矽粉末、3%~12%的粘結劑和5%~20%的無機溶膠，然後用無水乙醇作為分散劑將蘭炭粉末、粉煤灰粉末、氧化鋁粉末、氮化鋁粉末以及矽粉末經過溼法球磨工藝製備成混合粉末，再將該混合粉末乾燥後，加入到用無水乙醇完全溶解的粘結劑中，攪拌均勻，形成顆粒原料；
[0017]b:將步驟a製得的顆粒原料裝入模具型腔內，模壓成型，並將壓制好的生坯在80°C~120°C乾燥固化；
[0018]c:將步驟b處理後的生坯置於氣氛為氮氣的燒結爐中進行碳熱還原氮化，溫度為1400。。~1600。。，保溫 120min ~150min，壓強為 0.08MPa ~0.12MPa ；
[0019]d:用無機溶膠對步驟c處理後的生坯進行浸潰處理，烘乾後得到預燒結體；
[0020]e:將步驟d處理後的預燒結體置於氣氛為氮氣的燒結爐中進行後處理燒結，溫度為1500。。~1600°C，保溫0.5h~1.5h，`其中氮氣壓強為0.08~0.12MPa，，即完成多孔賽隆復相陶瓷的製備。
[0021]本發明的特點還在於，
[0022]蘭炭粉末的平均粒徑為10 μ m~60 μ m，含碳量不低於87%。
[0023]粉煤灰粉末的平均粒徑為10 μ m~60 μ m,氧化招含量不低於25%,氧化娃含量不低於45%。
[0024]氧化鋁粉末和氮化鋁粉末的平均粒徑均為5 μ m~40 μ m。
[0025]矽粉末的平均粒徑為10 μ m~40 μ m。
[0026]粘結劑為酚醛樹脂或者PVB。
[0027]無機溶膠為氧化鋁溶膠、氧化矽溶膠以及氧化鈦溶膠中的任意一種，或者任意兩種的混合，或者任意三種的混合。
[0028]無機溶膠的濃度為0.05mol/L~1.2mol/L。
[0029]本發明的有益效果是:本發明中所採用的主要原料蘭炭及粉煤灰均為工業廢料，其成本低廉、來源廣泛，可以大大降低所製備多孔復相陶瓷的原料成本；所採用的碳熱還原氮化法，具有對原料純度要求低、燒結工藝簡單的特點，有利於使用較低純度的原料實現多孔賽隆復相陶瓷的合成；溶膠浸潰處理時，由於溶膠引入的氧化物起到包裹雜質與雜質反應的作用，提高了所製備陶瓷的晶間強度，增強了多孔陶瓷的骨架，從而大幅提高了多孔賽隆復相陶瓷的力學性能。本發明的製備方法，具有成本低廉、工藝簡單的特點；可大大降低多孔賽隆陶瓷的製備成本，並獲得較高的材料強度。【具體實施方式】
[0030]下面結合【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0031]本發明提供的多孔賽隆復相陶瓷的製備方法，按照以下步驟實施:
[0032]a:首先，按以下質量百分比分別稱取20%~45%的蘭炭粉末、10%~30%的粉煤灰粉末、5%~25%的氧化鋁粉末、2%~8%的氮化鋁粉末、5%~25%的矽粉末、3%~12%的粘結劑和5%~20%的無機溶膠，然後用無水乙醇作為分散劑將蘭炭粉末、粉煤灰粉末、氧化鋁粉末、氮化鋁粉末以及矽粉末經過溼法球磨工藝製備成混合粉末，再將該混合粉末乾燥後，加入到用無水乙醇完全溶解的粘結劑中，攪拌均勻，形成顆粒原料；
[0033]b:將步驟a製得的顆粒原料裝入模具型腔內，模壓成型，並將壓制好的生坯在80°C~120°C乾燥固化；
[0034]c:將步驟b處理後的生坯置於氣氛為氮氣的燒結爐中進行碳熱還原氮化，溫度為1400。。~1600。。，保溫 120min ~150min，壓強為 0.08MPa ~0.12MPa ；
[0035]d:用無機溶膠對步驟c處理後的生坯進行浸潰處理，烘乾後得到預燒結體；
[0036]e:將步驟d處理後的預燒結體置於氣氛為氮氣的燒結爐中進行後處理燒結，溫度為1500。。~1600°C，保溫0.5h~1.5h，其中氮氣壓強為0.08~0.12MPa，，即完成多孔賽隆復相陶瓷的製備。
[0037]蘭炭粉末的平均粒徑為10 μ m~60 μ m，含碳量不低於87%。粉煤灰粉末的平均粒徑為10 μ m~60 μ m,氧化招含量不低於25%,氧化娃含量不低於45%。氧化招粉末和氮化招粉末的平均粒徑均為5 μ m~40 μ m。矽粉末的平均粒徑為10 μ m~40 μ m。粘結劑為酚醛樹脂或者PVB。無機溶膠為氧化鋁溶膠、氧化矽溶膠以及氧化鈦溶膠中的任意一種，或者任意兩種的混合，或者任意三種的混合。`無機溶膠的濃度為0.05mol/L~1.2mol/L。
[0038]本發明多孔賽隆復相陶瓷的製備方法中，如下表1所示，所獲得製品的孔隙率主要由所添加的蘭炭和粉煤灰粉末來控制，而強度則同時受到材料組分和燒結工藝以及最終處理工藝的影響。當添加的粉煤灰質量比例低於20%，而蘭炭粉末質量比大於45%，則可能出現殘碳，會降低多孔材料的強度；當粉煤灰粉末比例超過40%，蘭炭粉末比例低於20%，製得的多孔材料的結合強度則主要由粉煤灰中的氧化物連接提供，材料內部閉氣孔數量增多，氣孔率偏低。
[0039]蘭炭在這裡作為低成本的碳源，作為後續的碳熱還原過程中的還原劑；粉煤灰在這裡起到提供氧化矽和氧化鋁的作用，在氮氣氣氛下生成具有鬆散結構的多孔賽隆，如果僅以這種碳熱還原方式製備多孔賽隆則由於生成物中雜質較多包括殘碳、氮化鋁等，其力學性能難以滿足實際應用的要求。
[0040]粘結劑使用酚醛樹脂或者PVB (即聚乙烯醇縮丁醛)，一方面可以作為碳源與氧化矽在碳熱還原反應作用下與氧化鋁形成賽隆；另一方面，粘結劑也會提供額外的氣孔率。粘結劑加入量應控制在3%~12%，少於3%時生坯的強度較差，不利於工藝操作；大於12%時，會由於形成的連續孔洞過多降低材料強度。
[0041]所使用的無機溶膠主要用來對預燒結後的坯體進行浸潰處理，以提高多孔材料的強度；在浸潰過程中，溶膠濃度低於0.05mol/L時，則對多孔材料強度的提升不明顯；溶膠濃度高於1.2mol/L時，則容易導致溶膠的粘度過大，使得多孔材料內部部分孔洞被封孔降低多孔材料的孔隙率，影響其功能性。[0042]碳熱還原溫度不宜超過1600°C，最好在1400°C~1600°C，如果不足1400°C，碳熱還原過低導致反應時間過長同時氧化物難以完全固溶到賽隆的晶格內，過高的燒結溫度會使得賽隆晶相轉變為氮化鋁異構體型，其力學性能會降低。浸潰後的燒結主要目的是令浸潰的溶膠轉變為液相，因此溫度低於1400°C時，一方面燒結時間較長，另一方面形成的液相較少，難以對多孔骨架形成補強效果；若燒結溫度高於1600°C則容易造成賽隆的分解，使得其力學性能和耐蝕性等反而降低。
[0043]表1多孔賽隆復相陶瓷成分及工藝
[0044]
【權利要求】
1.一種多孔賽隆復相陶瓷，其特徵在於，按質量百分比其組成為:蘭炭20%~45%、粉煤灰10%~30%、氧化鋁5%~25%、氮化鋁2%~8%、矽5%~25%、粘結劑3%~12%以及無機溶膠5%~20%，以上組分的質量百分比之和為100%。
2.根據權利要求1所述的一種多孔賽隆復相陶瓷，其特徵在於:所述粘結劑為酚醛樹脂或者PVB，所述無機溶膠為氧化鋁溶膠、氧化矽溶膠以及氧化鈦溶膠中的任意一種，或者任意兩種的混合，或者任意三種的混合。
3.製備權利要求1所述的多孔賽隆復相陶瓷的方法，其特徵在於，該方法按照以下步驟實施: a:首先，按以下質量百分比分別稱取20%~45%的蘭炭粉末、10%~30%的粉煤灰粉末、5%~25%的氧化鋁粉末、2%~8%的氮化鋁粉末、5%~25%的矽粉末、3%~12%的粘結劑和5%~20%的無機溶膠，然後用無水乙醇作為分散劑將蘭炭粉末、粉煤灰粉末、氧化鋁粉末、氮化鋁粉末以及矽粉末經過溼法球磨工藝製備成混合粉末，再將該混合粉末乾燥後，加入到用無水乙醇完全溶解的粘結劑中，攪拌均勻，形成顆粒原料； b:將步驟a製得的顆粒原料裝入模具型腔內，模壓成型，並將壓制好的生坯在80°C~.120°C乾燥固化； c:將步驟b處理後的生坯置於氣氛為氮氣的燒結爐中進行碳熱還原氮化，溫度為1400。。~1600。。，保溫 120min ~150min，壓強為 0.08MPa ~0.12MPa ； d:用無機溶膠對步驟c處理後的生坯進行浸潰處理，烘乾後得到預燒結體； e:將步驟d處理後的預燒結體置於氣氛為氮氣的燒結爐中進行後處理燒結，溫度為1500。。~16000C，保溫0.5h~1.5h，其中氮氣壓強為0.08~0.12MPa，，即完成多孔賽隆復相陶瓷的製備。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於:所述蘭炭粉末的平均粒徑為ΙΟμπι~60 μ m,含碳量不低於87%。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其特徵在於:所述粉煤灰粉末的平均粒徑為10 μ m~60 μ m,氧化招含量不低於25%,氧化娃含量不低於45%。
6.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於:所述氧化鋁粉末和所述氮化鋁粉末的平均粒徑均為5 μ m~40 μ m。
7.根據權利要求3或6所述的方法，其特徵在於:所述矽粉末的平均粒徑為10μ m~40 μ m0
8.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於:所述粘結劑為酚醛樹脂或者PVB。
9.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於:所述無機溶膠為氧化鋁溶膠、氧化矽溶膠以及氧化鈦溶膠中的任意一種，或者任意兩種的混合，或者任意三種的混合。
10.根據權利要求3或9所述的方法，其特徵在於:所述無機溶膠的濃度為0.05mol/L ~L 2mol/L。
【文檔編號】C04B38/00GK103804010SQ201310740250
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】劉榮臻, 段慶文, 吳引江, 南海娟, 劉高建 申請人:西安寶德粉末冶金有限責任公司