專(zhuān)利名稱(chēng)：一種氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，是一種氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳化硅是典型的多晶型化合物，按大類(lèi)分有a-碳化硅和e-碳化硅兩種，其中的e-碳化硅是制備碳化硅類(lèi)陶瓷的主要原料。碳化硅耐火材料具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、抗熱震性
好、耐磨損、抗侵蝕等優(yōu)良的高溫性能，是一種優(yōu)質(zhì)高溫陶瓷材料；在冶金、能源、化工等
行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
目前，市面上的碳化硅制品以其結(jié)合方式主要有以下兩大類(lèi)
(1) 、傳統(tǒng)結(jié)合方式(氧化硅結(jié)合碳化硅)，大多以粘土、 Si02微粉結(jié)合劑，此類(lèi)產(chǎn)品的高溫性能較差，已逐步被淘汰。
(2) 、 Si3N4 (或sialon)結(jié)合SiC (氮化硅結(jié)合碳化硅或賽隆結(jié)合碳化硅)，它是以Si粉、SiC為主要原料，經(jīng)壓制成形后，在N2氣氛保護(hù)下的電阻爐中合成Si3N4或sialon，從而把SiC結(jié)合起來(lái)。這是一種新型高溫陶瓷材料，已廣泛應(yīng)用于高溫工程領(lǐng)域。但這種產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過(guò)程中的兩個(gè)環(huán)節(jié) 一是機(jī)壓成形需要大噸位振動(dòng)加壓成形機(jī)或其它壓磚機(jī)；二是在電加熱條件下用高純N2作保護(hù)和反應(yīng)物；這就造成此類(lèi)產(chǎn)品存在著生產(chǎn)設(shè)備投資大、能耗高、工藝時(shí)間長(zhǎng)、形狀受限等問(wèn)題，也就限制了它的應(yīng)用范圍和效益。
此外，肖壽仁的"氮化物結(jié)合碳化硅耐火材料的研制及其現(xiàn)狀"(冶金能源，2007，26(1):44-48) —文中，還概述了Si2N20結(jié)合SiC (氮氧化硅結(jié)合碳化硅)材料的研究現(xiàn)狀，其生產(chǎn)方法將碳化硅、二氧化硅、粘土以及添加物制成生壞，埋碳或通入氮?dú)庠诓煌瑴囟群蛪毫ο聼?，反?yīng)生成板橋狀氮氧化硅分布于碳化硅顆粒周?chē)?，將其緊密結(jié)合，使碳化硅保持優(yōu)良的抗氧化性和抗熱震能力。但是，對(duì)這類(lèi)材料的研究還不夠成熟，加壓成形工藝等仍然具有設(shè)備投資大、能耗高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，生產(chǎn)成本仍然太高，因而限制了其廣泛應(yīng)用；仍需進(jìn)行大量深入研究工作，以提高材料性能，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料，通過(guò)對(duì)材料中各組分及其用量的優(yōu)化，獲得具有良好性能的高溫陶瓷材料。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種上述氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料的制備方法。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料，由骨料、粉料、外加劑和結(jié)合劑組成；其中以骨料和粉料的質(zhì)量之和為總質(zhì)量100%計(jì)，骨料含量為65-75%，粉料含量為25-35%;外加劑為五氧化二釩，其添加量占總質(zhì)量的O. 2-0. 5%;結(jié)合劑包括質(zhì)量百分比濃度為50%的木質(zhì)磺酸鈉溶液(指水溶液，下同)、質(zhì)量百分比濃度為6%的聚乙烯醇溶液、糊精，三者的添加量分別占產(chǎn)品總質(zhì)量的3-4%、 1-1.5%、 0.3-0.8%;
上述組分中的骨料，為碳化硅骨料，其中SiC含量》97。/。，粒度為0-2mm (〉0且《2mm);
上述組分的粉料，包括碳化硅粉、硅粉、氮化硅粉、球粘土粉和二氧化硅微粉；仍以骨料和粉料的質(zhì)量之和為總質(zhì)量100%計(jì)，碳化硅粉的含量占8-15%，硅粉的含量占4-6%，氮化硅粉的含量占7-15%，球粘土粉的含量占2-4%， 二氧化硅微粉占總質(zhì)量的1-2%。
各種粉料的主要成分含量及粒度等指標(biāo)分別為碳化硅粉中SiC含量》97。/。，粒度《320目；硅粉中Si含量S 99。/。，粒度《1000目；氮化硅粉中Si3N4含量S 99。/。，粒度《320目；球粘土粉中Al203含量S 33。/。，粒度《1000目，二氧化硅微粉中Si02含量S 95。/。，粒度《lym。
本發(fā)明上述YDT氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料，按照包括下述步驟的方法制備，可以縮短生產(chǎn)流程、降低設(shè)備投資，降低能耗和生產(chǎn)成本，并且可大規(guī)模機(jī)械化施工，大大加快施工速度
(1) 、配料按照上述骨料、粉料和外加劑的配比計(jì)量配料，并在攪拌機(jī)中混勻；
(2) 、碾料將已攪拌混勻的混合料移入混碾機(jī)中，依次加入結(jié)合劑糊精、聚乙烯醇溶液、木質(zhì)磺酸鈉溶液，充分混碾30分鐘；
(3) 、搗打成形將混碾后的混合料置于模具中搗打成形，制得生坯；
(4) 、帶模養(yǎng)護(hù)將成形生坯帶模養(yǎng)護(hù)24小時(shí)；
(5) 、帶模烘烤將帶模生坯置于烘房中烘烤，其升保溫制度如下
(a) 、室溫 7(TC，升溫8小時(shí)，7(TC保溫8小時(shí)；
(b) 、 70 110°C，升溫8小時(shí)，11(TC保溫24小時(shí)；
(6) 、脫模檢驗(yàn)，修整；
(7) 、燒結(jié)坯料烘燒是產(chǎn)品生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，將檢驗(yàn)合格的坯件置于燃?xì)飧邷貭t中燒結(jié)，按如下步驟進(jìn)行
a) 、 0 8小時(shí)，由室溫均勻升溫至12(TC;
b) 、 8 16小時(shí)，由120。C均勻升溫至200。C;c) 、 16 24小時(shí)，20(TC保溫8小時(shí);
d) 、 24 32小時(shí)，由200。C均勻升溫至320。C;
e) 、 32 48小時(shí)，320。C保溫16小時(shí)；
f) 、 48 56小時(shí)，由32(TC均勻升溫至44(TC;
g) 、 56 72小時(shí)，440。C保溫16小時(shí)；
h) 、 72 80小時(shí)，由44(TC均勻升溫至60(TC;
i) 、 80 88小時(shí)，60(TC保溫8小時(shí);
j) 、 88 104小時(shí)，由60(TC均勻升溫至92(TC;
k) 、 104 108小時(shí)，920。C保溫4小時(shí)；
1) 、 108 116小時(shí)，由920。C均勻升溫至1120。C;
m) 、 116 120小時(shí)，1120。C保溫4小時(shí)；
n) 、 120 136小時(shí)，由1120。C均勻升溫至1440。C;
o) 、 136 144/148小時(shí)，144(TC保溫8 12小時(shí)(可根據(jù)坯件大小調(diào)整保溫時(shí)間， 小坯件可保溫8小時(shí)，大坯件可保溫12小時(shí))；
P)、停爐、冷卻、出爐、檢驗(yàn)、包裝、入庫(kù)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明YDT氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料，通過(guò)對(duì)材料中各組分及其用量的優(yōu)化， 在SiC材料中加入適量Si粉和Si3N4粉、及適當(dāng)外加劑和結(jié)合劑，使其對(duì)制備工藝大幅度簡(jiǎn)化 ，不需N2氣保護(hù)和作反應(yīng)物質(zhì)，不需要電加熱，可在氧化性氣氛的燃?xì)鉅t上合成。Si粉和部 分Si3N4粉氧化形成覆蓋于SiC表面Si02膜，把SiC結(jié)合并保護(hù)起來(lái)，即可獲得具有良好性能的 高溫陶瓷材料。
此外，本發(fā)明采用搗打成形工藝；所得到產(chǎn)品的理化性能指標(biāo)和Si3N4、 sialon結(jié)合的 SiC陶瓷相當(dāng)，但卻克服了前者一系列不足之處，具有設(shè)備投資少、流程短、能耗低、不受 形狀限制等特點(diǎn)，適應(yīng)性范圍廣。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主 題的范圍僅限于下述實(shí)施實(shí)例。
下述實(shí)施例中氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料外加劑、結(jié)合劑的配料中，均以骨料和 粉料之和為100%計(jì)，即產(chǎn)品總質(zhì)量計(jì)算。
實(shí)施例l(一) 、本實(shí)施例YDT氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料由骨料、粉料和外加劑、結(jié)合 劑組成，其中
以骨料和粉料的質(zhì)量之和為總質(zhì)量100%計(jì)
骨料含量占總質(zhì)量的70%，粉料含量占總質(zhì)量的30%;外加劑五氧化二釩的添加量為總質(zhì) 量的0.3%;結(jié)合劑包括質(zhì)量百分比濃度為50%的木質(zhì)磺酸鈉溶液(指水溶液，下同)、質(zhì)量 百分比濃度為6%的聚乙烯醇溶液(指水溶液，下同)、糊精，三者的添加量分別為總質(zhì)量的
4%、 1%、 0.4%;
上述組分中的骨料，選用碳化硅骨料，其中SiC含量》97。/。；粒度為l-2mm占骨料和粉 料總質(zhì)量的15%， 0. 5-lmm占骨料和粉料總質(zhì)量的26。/。， 0-0. 5mm占骨料和粉料總質(zhì)量的29o/o;
上述組分的粉料，包括碳化硅粉、硅粉、氮化硅粉、球粘土粉和二氧化硅微粉；碳化硅 粉的含量占總質(zhì)量的11%，硅粉的含量占總質(zhì)量的5%，氮化硅粉的含量為骨料和粉料總質(zhì)量 的10%，球粘土粉的含量為骨料和粉料總質(zhì)量的3%， 二氧化硅微粉占總質(zhì)量的1%;
各種粉料的主要成分含量及粒度等指標(biāo)分別為碳化硅粉中SiC含量》97。/。，粒度《320 目；硅粉中Si含量S 99。/。，粒度《1000目；氮化硅粉中Si3N4含量S 99。/。，粒度《320目；球粘 土粉中Al203含量為33。/。，粒度《1000目，二氧化硅微粉中Si02含量》95。/。，粒度《lym;
外加劑五氧化二釩中，V205含量為99。/。，粒度為320目。
(二) 、本實(shí)施例YDT氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料按包括下述步驟方法制備
(1) 、配料按照上述骨料、粉料和外加劑的配比計(jì)量配料，并在攪拌機(jī)中混勻；
(2) 、碾料將已攪拌混勻的混合料移入混碾機(jī)中，依次加入結(jié)合劑糊精、聚乙烯醇 溶液、木質(zhì)磺酸鈉溶液，充分混碾30分鐘；
(3) 、搗打成形將混碾后的混合料置于模具中搗打成形，得生坯；
(4) 、帶模養(yǎng)護(hù)將成形生坯帶模養(yǎng)護(hù)24小時(shí)；
(5) 、帶模烘烤將帶模生坯置于烘房中烘烤，其升保溫制度如下
(a) 、室溫 7(TC，升溫8小時(shí)，7(TC保溫8小時(shí)；
(b) 、 70 110°C，升溫8小時(shí)，11(TC保溫24小時(shí)；
(6) 、脫模、檢驗(yàn)，修整；
(7) 、燒結(jié)將檢驗(yàn)合格的坯件置于燃?xì)飧邷貭t中燒結(jié)，按如下步驟進(jìn)行
a) 、 0 8小時(shí)，由室溫均勻升溫至12(TC;
b) 、 8 16小時(shí)，由120。C均勻升溫至200。C;
c) 、 16 24小時(shí)，20(TC保溫8小時(shí);200910306393.
d) 、 24 32小時(shí)，由200。C均勻升溫至320。C;
e) 、 32 48小時(shí)，320。C保溫16小時(shí)；
f) 、 48 56小時(shí)，由32(TC均勻升溫至44(TC;
g) 、 56 72小時(shí)，440。C保溫16小時(shí)；
h) 、 72 80小時(shí)，由44(TC均勻升溫至60(TC;
i) 、 80 88小時(shí)，60(TC保溫8小時(shí);
j) 、 88 104小時(shí)，由60(TC均勻升溫至92(TC;
k) 、 104 108小時(shí)，920。C保溫4小時(shí)；
1) 、 108 116小時(shí)，由920。C均勻升溫至1120。C;
m) 、 116 120小時(shí)，1120。C保溫4小時(shí)；
n) 、 120 136小時(shí)，由1120。C均勻升溫至1440。C;
o) 、 136 144 (148)小時(shí)，1440。C保溫8 (小件) 12 (大件)小時(shí); P)、停爐、冷卻、出爐、檢驗(yàn)、包裝、入庫(kù)。 (三)、YDT陶瓷與Si3N4結(jié)合SiC陶瓷理化性能比較，見(jiàn)下表
所得陶瓷產(chǎn)品的理化指標(biāo)與氮化硅結(jié)合碳化硅陶瓷的比較如下表所示:
YDT陶瓷與Si3N4結(jié)合SiC陶瓷理化性能比較理化指標(biāo)氧氮化硅結(jié)合SiC (實(shí)測(cè)值)Si;jN4結(jié)合SiC (YB4035-91規(guī)定值))
SiC含量， ％》782;70 72
體積密度， g/cm"2. 4 2. 6
常溫耐壓強(qiáng)度，MPa143 150147 150
常溫抗折強(qiáng)度，MPa33 4039 43
比強(qiáng)度 (抗壓強(qiáng)度/體積密度)59. 6 62. 556. 5 57. 7
由上表可見(jiàn)兩種陶瓷的理化性能指標(biāo)相近，此外，本方法不需N2氣保護(hù)和作反應(yīng)物質(zhì)， 也不需要電加熱；在氧化性氣氛的燃?xì)鉅t上合成，并采用搗打成形工藝；具有設(shè)備投資少、 流程短、能耗低、不受形狀限制，適應(yīng)性范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料，由骨料、粉料、外加劑和結(jié)合劑組成，其特征于以骨料和粉料質(zhì)量之和為總質(zhì)量100％計(jì)骨料含量為65-75％，粉料含量為25-35％；所述的骨料為碳化硅骨料；所述的粉料包括碳化硅粉、硅粉、氮化硅粉、球粘土粉、二氧化硅微粉；碳化硅粉占總質(zhì)量的8-15％，硅粉占總質(zhì)量的4-6％，氮化硅粉占總質(zhì)量的7-15％，球粘土粉占總質(zhì)量的2-4％，二氧化硅微粉占總質(zhì)量的1-2％；所述的外加劑為五氧化二釩，其添加量占總質(zhì)量的0.2-0.5％；所述的結(jié)合劑包括質(zhì)量百分比濃度為50％的木質(zhì)磺酸鈉溶液、6％的聚乙烯醇溶液、糊精，三者的添加量分別占總質(zhì)量的3-4％、1-1.5％、0.3-0.8％。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高溫陶瓷材料，其特征在于所述的碳化硅骨料中，SiC含量》97。/。，粒度為0-2mm。
3 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高溫陶瓷材料，其特征在于所述的粉料中碳化硅粉中SiC含量》97。/。，粒度《320目；硅粉中Si含量》99。/。，粒度《1000目；氮化硅粉中Si3N4含量S 99。/。，粒度《320目；球粘土粉中A1203含量S 33。/。，粒度《1000目，二氧化硅微粉中Si02含量S 95。/。，粒度《lym。
4 權(quán)利要求l-3中任一項(xiàng)所述的氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料的制備方法，包括下述主要步驟(1) 、配料按照上述骨料、粉料和外加劑的配比計(jì)量配料，并在攪拌機(jī)中混勻；(2) 、碾料將已攪拌混勻的混合料移入混碾機(jī)中，依次加入結(jié)合劑糊精、聚乙烯醇溶液、木質(zhì)磺酸鈉溶液，充分混碾30分鐘；(3) 、搗打成形將混碾后的混合料置于模具中搗打成形，得生坯；(4) 、帶模養(yǎng)護(hù)將成形生坯帶模養(yǎng)護(hù)24小時(shí)；(5) 、帶模烘烤將帶模生坯置于烘房中烘烤，其升保溫制度如下(a) 、室溫 7(TC，升溫8小時(shí)，7(TC保溫8小時(shí)；(b) 、 70 11(TC，升溫8小時(shí)，11(TC保溫2 4小時(shí)；(6) 、脫模檢驗(yàn)，修整；(7) 、燒結(jié)，將檢驗(yàn)合格的坯件置于燃?xì)飧邷貭t中燒結(jié)，按如下步驟進(jìn)行:a) 、 0 8小時(shí)，由室溫均勻升溫至12(TC;b) 、 8 16小時(shí)，由120。C均勻升溫至200。C;c) 、 16 24小時(shí)，20(TC保溫8小時(shí);d) 、 24 32小時(shí)，由200。C均勻升溫至320。C;e) 、 32 48小時(shí)，320。C保溫16小時(shí)；f) 、 48 56小時(shí)，由32(TC均勻升溫至44(TC;g) 、 56 72小時(shí)，440。C保溫16小時(shí)；h) 、 72 80小時(shí)，由44(TC均勻升溫至60(TC;i) 、 80 88小時(shí)，60(TC保溫8小時(shí);j) 、 88 104小時(shí)，由60(TC均勻升溫至92(TC;k) 、 104 108小時(shí)，920。C保溫4小時(shí)；1) 、 108 116小時(shí)，由920。C均勻升溫至1120。C;m) 、 116 120小時(shí)，1120。C保溫4小時(shí)；n) 、 120 136小時(shí)，由1120。C均勻升溫至1440。C;o) 、 136 144/148小時(shí)，1440。C保溫8 12小時(shí)；P)、停爐、冷卻、出爐、檢驗(yàn)、包裝、入庫(kù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氧氮化硅結(jié)合碳化硅高溫陶瓷材料。以骨料、粉料和外加劑、結(jié)合劑為原料制成，以骨料和粉料質(zhì)量之和為總質(zhì)量100％計(jì)，骨料含量為65-75％，粉料含量為25-35％；骨料為碳化硅骨料；粉料包括碳化硅粉、硅粉、氮化硅粉、球粘土粉、二氧化硅微粉；外加劑為五氧化二釩；結(jié)合劑包括濃度為50％木質(zhì)磺酸鈉溶液、濃度為6％聚乙烯醇溶液、糊精。該材料通過(guò)對(duì)各組分及其用量的優(yōu)化，使其制備工藝更合理、更經(jīng)濟(jì)燒結(jié)時(shí)不需電加熱，不需N₂氣保護(hù)和作反應(yīng)物質(zhì)，只需在燃?xì)鉅t在氧化氣氛下加熱即可獲得具有良好性能的高溫陶瓷材料。本發(fā)明還公開(kāi)了一種上述材料的制備方法，采用搗打成形工藝，具有設(shè)備投資小、生產(chǎn)流程短、能耗低、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/565GK101654362SQ20091030639
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者張命榮 申請(qǐng)人:成都蜀冶新材料有限責(zé)任公司