CN101654362A - 一种氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料。以骨料、粉料和外加剂、结合剂为原料制成，以骨料和粉料质量之和为总质量100％计，骨料含量为65－75％，粉料含量为25－35％；骨料为碳化硅骨料；粉料包括碳化硅粉、硅粉、氮化硅粉、球粘土粉、二氧化硅微粉；外加剂为五氧化二钒；结合剂包括浓度为50％木质磺酸钠溶液、浓度为6％聚乙烯醇溶液、糊精。该材料通过对各组分及其用量的优化，使其制备工艺更合理、更经济：烧结时不需电加热，不需N2气保护和作反应物质，只需在燃气炉在氧化气氛下加热即可获得具有良好性能的高温陶瓷材料。本发明还公开了一种上述材料的制备方法，采用捣打成形工艺，具有设备投资小、生产流程短、能耗低、适应范围广等特点。
Description
技术领域
本发明属于高温陶瓷材料技术领域，是一种氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
碳化硅是典型的多晶型化合物，按大类分有α-碳化硅和β-碳化硅两种，其中的β-碳化硅是制备碳化硅类陶瓷的主要原料。碳化硅耐火材料具有强度高、导热系数大、抗热震性好、耐磨损、抗侵蚀等优良的高温性能，是一种优质高温陶瓷材料；在冶金、能源、化工等行业得到广泛应用。
目前，市面上的碳化硅制品以其结合方式主要有以下两大类：
(1)、传统结合方式(氧化硅结合碳化硅)，大多以粘土、SiO2微粉结合剂，此类产品的高温性能较差，已逐步被淘汰。
(2)、Si3N4(或sialon)结合SiC(氮化硅结合碳化硅或赛隆结合碳化硅)，它是以Si粉、SiC为主要原料，经压制成形后，在N2气氛保护下的电阻炉中合成Si3N4或sialon，从而把SiC结合起来。这是一种新型高温陶瓷材料，已广泛应用于高温工程领域。但这种产品生产工艺过程中的两个环节：一是机压成形需要大吨位振动加压成形机或其它压砖机；二是在电加热条件下用高纯N2作保护和反应物；这就造成此类产品存在着生产设备投资大、能耗高、工艺时间长、形状受限等问题，也就限制了它的应用范围和效益。
此外，肖寿仁的“氮化物结合碳化硅耐火材料的研制及其现状”(冶金能源，2007，26(1)：44-48)一文中，还概述了Si2N2O结合SiC(氮氧化硅结合碳化硅)材料的研究现状，其生产方法：将碳化硅、二氧化硅、粘土以及添加物制成生坏，埋碳或通入氮气在不同温度和压力下烧成，反应生成板桥状氮氧化硅分布于碳化硅颗粒周围，将其紧密结合，使碳化硅保持优良的抗氧化性和抗热震能力。但是，对这类材料的研究还不够成熟，加压成形工艺等仍然具有设备投资大、能耗高、生产周期长等问题，生产成本仍然太高，因而限制了其广泛应用；仍需进行大量深入研究工作，以提高材料性能，同时降低生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料，通过对材料中各组分及其用量的优化，获得具有良好性能的高温陶瓷材料。
本发明的另一个目的是提供一种上述氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料的制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料，由骨料、粉料、外加剂和结合剂组成；其中：以骨料和粉料的质量之和为总质量100％计，骨料含量为65-75％，粉料含量为25-35％；外加剂为五氧化二钒，其添加量占总质量的0.2-0.5％；结合剂包括质量百分比浓度为50％的木质磺酸钠溶液(指水溶液，下同)、质量百分比浓度为6％的聚乙烯醇溶液、糊精，三者的添加量分别占产品总质量的3-4％、1-1.5％、0.3-0.8％；
上述组分中的骨料，为碳化硅骨料，其中SiC含量≥97％，粒度为0-2mm(＞0且≤2mm)；
上述组分的粉料，包括碳化硅粉、硅粉、氮化硅粉、球粘土粉和二氧化硅微粉；仍以骨料和粉料的质量之和为总质量100％计，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％，二氧化硅微粉占总质量的1-2％。
各种粉料的主要成分含量及粒度等指标分别为：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≥99％，粒度≤320目；球粘土粉中Al2O3含量≥33％，粒度≤1000目，二氧化硅微粉中SiO2含量≥95％，粒度≤1μm。
本发明上述YDT氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料，按照包括下述步骤的方法制备，可以缩短生产流程、降低设备投资，降低能耗和生产成本，并且可大规模机械化施工，大大加快施工速度：
(1)、配料：按照上述骨料、粉料和外加剂的配比计量配料，并在搅拌机中混匀；
(2)、碾料：将已搅拌混匀的混合料移入混碾机中，依次加入结合剂糊精、聚乙烯醇溶液、木质磺酸钠溶液，充分混碾30分钟；
(3)、捣打成形：将混碾后的混合料置于模具中捣打成形，制得生坯；
(4)、带模养护：将成形生坯带模养护24小时；
(5)、带模烘烤：将带模生坯置于烘房中烘烤，其升保温制度如下：
(a)、室温～70℃，升温8小时，70℃保温8小时；
(b)、70～110℃，升温8小时，110℃保温24小时；
(6)、脱模检验，修整；
(7)、烧结：坯料烘烧是产品生产的重要环节，将检验合格的坯件置于燃气高温炉中烧结，按如下步骤进行：
a)、0～8小时，由室温均匀升温至120℃；
b)、8～16小时，由120℃均匀升温至200℃；
c)、16～24小时，200℃保温8小时；
d)、24～32小时，由200℃均匀升温至320℃；
e)、32～48小时，320℃保温16小时；
f)、48～56小时，由320℃均匀升温至440℃；
g)、56～72小时，440℃保温16小时；
h)、72～80小时，由440℃均匀升温至600℃；
i)、80～88小时，600℃保温8小时；
j)、88～104小时，由600℃均匀升温至920℃；
k)、104～108小时，920℃保温4小时；
l)、108～116小时，由920℃均匀升温至1120℃；
m)、116～120小时，1120℃保温4小时；
n)、120～136小时，由1120℃均匀升温至1440℃；
o)、136～144/148小时，1440℃保温8～12小时(可根据坯件大小调整保温时间，小坯件可保温8小时，大坯件可保温12小时)；
p)、停炉、冷却、出炉、检验、包装、入库。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明YDT氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料，通过对材料中各组分及其用量的优化，在SiC材料中加入适量Si粉和Si3N4粉、及适当外加剂和结合剂，使其对制备工艺大幅度简化，不需N2气保护和作反应物质，不需要电加热，可在氧化性气氛的燃气炉上合成。Si粉和部分Si3N4粉氧化形成覆盖于SiC表面SiO2膜，把SiC结合并保护起来，即可获得具有良好性能的高温陶瓷材料。
此外，本发明采用捣打成形工艺；所得到产品的理化性能指标和Si3N4、sialon结合的SiC陶瓷相当，但却克服了前者一系列不足之处，具有设备投资少、流程短、能耗低、不受形状限制等特点，适应性范围广。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施实例。
下述实施例中氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料外加剂、结合剂的配料中，均以骨料和粉料之和为100％计，即产品总质量计算。
实施例1
(一)、本实施例YDT氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料由骨料、粉料和外加剂、结合剂组成，其中：
以骨料和粉料的质量之和为总质量100％计：
骨料含量占总质量的70％，粉料含量占总质量的30％；外加剂五氧化二钒的添加量为总质量的0.3％；结合剂包括质量百分比浓度为50％的木质磺酸钠溶液(指水溶液，下同)、质量百分比浓度为6％的聚乙烯醇溶液(指水溶液，下同)、糊精，三者的添加量分别为总质量的4％、1％、0.4％；
上述组分中的骨料，选用碳化硅骨料，其中SiC含量≥97％；粒度为：1-2mm占骨料和粉料总质量的15％，0.5-1mm占骨料和粉料总质量的26％，0-0.5mm占骨料和粉料总质量的29％；
上述组分的粉料，包括碳化硅粉、硅粉、氮化硅粉、球粘土粉和二氧化硅微粉；碳化硅粉的含量占总质量的11％，硅粉的含量占总质量的5％，氮化硅粉的含量为骨料和粉料总质量的10％，球粘土粉的含量为骨料和粉料总质量的3％，二氧化硅微粉占总质量的1％；
各种粉料的主要成分含量及粒度等指标分别为：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≥99％，粒度≤320目；球粘土粉中Al2O3含量为33％，粒度≤1000目，二氧化硅微粉中SiO2含量≥95％，粒度≤1μm；
外加剂五氧化二钒中，V2O5含量为99％，粒度为320目。
(二)、本实施例YDT氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料按包括下述步骤方法制备：
(1)、配料：按照上述骨料、粉料和外加剂的配比计量配料，并在搅拌机中混匀；
(2)、碾料：将已搅拌混匀的混合料移入混碾机中，依次加入结合剂糊精、聚乙烯醇溶液、木质磺酸钠溶液，充分混碾30分钟；
(3)、捣打成形：将混碾后的混合料置于模具中捣打成形，得生坯；
(4)、带模养护：将成形生坯带模养护24小时；
(5)、带模烘烤：将带模生坯置于烘房中烘烤，其升保温制度如下：
(a)、室温～70℃，升温8小时，70℃保温8小时；
(b)、70～110℃，升温8小时，110℃保温24小时；
(6)、脱模、检验，修整；
(7)、烧结：将检验合格的坯件置于燃气高温炉中烧结，按如下步骤进行：
a)、0～8小时，由室温均匀升温至120℃；
b)、8～16小时，由120℃均匀升温至200℃；
c)、16～24小时，200℃保温8小时；
d)、24～32小时，由200℃均匀升温至320℃；
e)、32～48小时，320℃保温16小时；
f)、48～56小时，由320℃均匀升温至440℃；
g)、56～72小时，440℃保温16小时；
h)、72～80小时，由440℃均匀升温至600℃；
i)、80～88小时，600℃保温8小时；
j)、88～104小时，由600℃均匀升温至920℃；
k)、104～108小时，920℃保温4小时；
l)、108～116小时，由920℃均匀升温至1120℃；
m)、116～120小时，1120℃保温4小时；
n)、120～136小时，由1120℃均匀升温至1440℃；
o)、136～144(148)小时，1440℃保温8(小件)～12(大件)小时；
p)、停炉、冷却、出炉、检验、包装、入库。
(三)、YDT陶瓷与Si3N4结合SiC陶瓷理化性能比较，见下表：
所得陶瓷产品的理化指标与氮化硅结合碳化硅陶瓷的比较如下表所示：
由上表可见两种陶瓷的理化性能指标相近，此外，本方法不需N2气保护和作反应物质，也不需要电加热；在氧化性气氛的燃气炉上合成，并采用捣打成形工艺；具有设备投资少、流程短、能耗低、不受形状限制，适应性范围广等优点。
Claims (4)
1.一种氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料，由骨料、粉料、外加剂和结合剂组成，其特征于：
以骨料和粉料质量之和为总质量100％计：
骨料含量为65-75％，粉料含量为25-35％；
所述的骨料为碳化硅骨料；
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；碳化硅粉占总质量的8-15％，硅粉占总质量的4-6％，氮化硅粉占总质量的7-15％，球粘土粉占总质量的2-4％，二氧化硅微粉占总质量的1-2％；
所述的外加剂为五氧化二钒，其添加量占总质量的0.2-0.5％；
所述的结合剂包括：质量百分比浓度为50％的木质磺酸钠溶液、6％的聚乙烯醇溶液、糊精，三者的添加量分别占总质量的3-4％、1-1.5％、0.3-0.8％。
2.根据权利要求1所述的高温陶瓷材料，其特征在于：所述的碳化硅骨料中，SiC含量≥97％，粒度为0-2mm。
3.根据权利要求1所述的高温陶瓷材料，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≥99％，粒度≤320目；球粘土粉中Al2O3含量≥33％，粒度≤1000目，二氧化硅微粉中SiO2含量≥95％，粒度≤1μm。
4.权利要求1-3中任一项所述的氧氮化硅结合碳化硅高温陶瓷材料的制备方法，包括下述主要步骤：
(1)、配料：按照上述骨料、粉料和外加剂的配比计量配料，并在搅拌机中混匀；
(2)、碾料：将已搅拌混匀的混合料移入混碾机中，依次加入结合剂糊精、聚乙烯醇溶液、木质磺酸钠溶液，充分混碾30分钟；
(3)、捣打成形：将混碾后的混合料置于模具中捣打成形，得生坯；
(4)、带模养护：将成形生坯带模养护24小时；
(5)、带模烘烤：将带模生坯置于烘房中烘烤，其升保温制度如下：
(a)、室温～70℃，升温8小时，70℃保温8小时；
(b)、70～110℃，升温8小时，110℃保温24小时；
(6)、脱模检验，修整；
(7)、烧结，将检验合格的坯件置于燃气高温炉中烧结，按如下步骤进行：
a)、0～8小时，由室温均匀升温至120℃；
b)、8～16小时，由120℃均匀升温至200℃；
c)、16～24小时，200℃保温8小时；
d)、24～32小时，由200℃均匀升温至320℃；
e)、32～48小时，320℃保温16小时；
f)、48～56小时，由320℃均匀升温至440℃；
g)、56～72小时，440℃保温16小时；
h)、72～80小时，由440℃均匀升温至600℃；
i)、80～88小时，600℃保温8小时；
j)、88～104小时，由600℃均匀升温至920℃；
k)、104～108小时，920℃保温4小时；
l)、108～116小时，由920℃均匀升温至1120℃；
m)、116～120小时，1120℃保温4小时；
n)、120～136小时，由1120℃均匀升温至1440℃；
o)、136～144/148小时，1440℃保温8～12小时；
p)、停炉、冷却、出炉、检验、包装、入库。
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