CN108675780A - 一种金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属复合莫来石‑碳化硅陶瓷复合材料，由以下质量百分比原料组成：莫来石60‑80wt%、金属粉4‑20wt%、碳化硅5‑20wt%。本发明还提供了该复合材料的制备方法。本发明的复合材料以莫来石、金属粉、碳化硅为主要原料，通过低温烧结制备金属复合莫来石‑碳化硅陶瓷复合材料，烧成温度低，生产工艺简单，生产成本低。

Description

一种金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料制备领域，具体涉及一种金属复合莫来石-碳化硅陶瓷 复合材料及其制备方法。

背景技术

莫来石质材料具有良好的高温力学性能、化学稳定性以及低的热膨胀系数和 热导率等优点，被广泛应用于耐火材料、陶瓷材料以及电子封装材料等领域。碳 化硅具有高强度、高硬度、高耐磨性以及低膨胀系数等优点，被广泛应用于冶炼 炉衬、高温窑炉构件、磨料磨具等部件。目前，关于莫来石质和碳化硅质陶瓷材 料的研究主要集中在莫来石-碳化硅陶瓷复合材料和氮化硅-碳化硅陶瓷复合材 料等。如专利“一种低温烧结的莫来石原位增强碳化硅多孔陶瓷的制备方法”(CN 105541333 A)，以Al₂(SO₄)₃、Na₂SO₄和B₂O₃为原料，加入SiC粉、造孔剂混合球 磨后压制成型，经干燥、煅烧制备低温烧结的莫来石原位增强碳化硅多孔陶瓷。 专利“高强度氮化硅结合碳化硅材料及其制备方法”(CN 101591187 A)，以SiC、 Si粉、La₂O₃和Y₂O₃的混合物、木质磺酸钙纸浆为原料，混合均匀后压制成型，干 燥后在氮气气氛下，1400-1480℃的条件下煅烧4-8小时制备高强度氮化硅结合 碳化硅材料。但是，以上材料的性能虽有一定的优化，烧成温度高，未考虑材料 在使用过程中的烧成作用。

光伏产业在过去的十年里受到人们的广泛关注，并获得了高速地发展。太阳 能级硅片是制作太阳能电池的核心材料，特定厚度的太阳能级多晶硅片是通过对 太阳能级多晶硅锭进行多线切割获得的。在切割过程中，只有不到60％的硅锭被 切割成多晶硅片，其余40％的硅锭则成为亚微米级的废料损失在切割液中。近年 来，全球太阳能级硅片的年产量高达3.85×10⁵吨，每年将有超过2.6×10⁵吨硅 废料产出，但是这些硅废料却得不到有效利用，若能有效解决光伏产业硅废料的 处理难题，将会带来极大的经济和环境效益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材 料，该材料制备工艺简单、烧成温度低，在氮气或氨裂解气气氛下，金属粉的添 加使其在高温使用过程中可原位生成非氧化物，形成氧化物非氧化物复合材料， 使得材料具有高温强度高、抗热震性能和抗氧化性能好等优点，可满足超硬材料 制品生产的需要。

同时，本发明还提供了一种金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料的制备方 法。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：一种金属复合莫来石-碳 化硅陶瓷复合材料，由以下质量百分比原料组成：莫来石60-80wt％、金属粉 4-20wt％、碳化硅5-20wt％、结合剂和水，余量；其中，结合剂、水的用量分别为 混合原料总质量的2-30wt％、10-25wt％。

在上述技术方案基础上，所述莫来石的颗粒组成为：0-18目10-30wt％，18-200 目30-55wt％，200-325目15-45wt％。

在上述技术方案基础上，所述莫来石为蓝晶石基、氧化铝基、矾土基莫来石 中的一种。

在上述技术方案基础上，所述金属粉为硅粉、铝粉中的任一种或两种的组合， 其中硅粉为工业硅粉或光伏产业的硅废料。

在上述技术方案基础上，所述金属粉和碳化硅的粒度≤0.1mm。

在上述技术方案基础上，所述结合剂为水玻璃、糊精、纸浆废液、聚乙烯醇 中的任一种、或两种及两种以上的混合液。

一种金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照权利要求1-6任一项中的原料质量百分比称取各组分；

(2)将称取的莫来石、金属粉、碳化硅置于混料机中，混料1-4小时，得 混合粉体；

(3)将称取的结合剂和水的混合液加入到步骤(2)所得的混合粉体中，混 料0.5-2小时，得混合料；

(4)将步骤(3)所得的混合料置于液压压机内进行成型处理，成型压力为 70-150Mpa，得坯体；

(5)将步骤(4)所得的坯体置于70-120℃的干燥箱内干燥4-24小时后， 置于非氧化性气氛烧结炉中，在600-750℃的条件下低温煅烧，煅烧时间2-4小 时后，随炉冷却至室温，即得金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料。

在上述制备方法的基础上，所述步骤(2)中的混料机为行星式混料机、搅 拌式混料机、滚筒式混料机中的一种。

在上述制备方法的基础上，所述步骤(5)中的非氧化性气氛为氮气、氨裂 解气、惰性气氛中的一种。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：(1)本发明的复合材料以莫来石、 金属粉、碳化硅为主要原料，通过低温烧结制备金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复 合材料，烧成温度低，节能，生产工艺简单，生产成本低。(2)在氮气或者氨裂 解气下，金属粉的添加使得材料在高温使用过程中原位反应生成非氧化物，非氧 化物将莫来石、碳化硅结合在一起，形成氧化物与非氧化物复合材料，使得材料 具有使用寿命长，耐压强度高、抗热震性能好和抗氧化性能好等优点，具有广泛 的经济和社会价值，可满足超硬材料制品生产的需要。(3)采用光伏产业的硅废 料替代工业硅粉，使得复合材料的生产成本较低，同时可有效解决光伏产业硅废 料的处理难题，具有极大的经济和环境效益。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明提供的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，由以下质量百分比的 原料组成：蓝晶石基莫来石75wt％、工业硅粉5wt％、碳化硅20wt％、聚乙烯醇和 水的混合液，聚乙烯醇和水的质量百分比分别为混合原料总质量的2.5wt％和 20wt％。其中，工业硅粉和碳化硅的粒径≤0.1mm；莫来石颗粒组成为0-18目30wt％、 18-200目50wt％、200-325目20wt％。

复合材料制备方法：按照质量百分比蓝晶石基莫来石75wt％、工业硅粉5wt％、 碳化硅20wt％，称取混合原料；将称取的混合原料置于行星式搅拌机内，混料4 小时，加入聚乙烯醇和水的混合液，其质量百分比分别为混合原料总质量的 2.5wt％和20wt％，继续混料0.5小时得混合料，将所得的混合料置于液压压机内 成型，成型压力为100MPa，得到坯体；将坯体在120℃干燥箱内干燥12小时后， 置于氮气气氛烧结炉中，在700℃的条件下煅烧4小时，即得金属复合莫来石- 碳化硅陶瓷复合材料。

经检测，本实施例所制备的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料性能指标 为：体积密度2.05g/cm³，气孔率27.1％，常温耐压强度72MPa。

实施例2

本发明提供的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，由以下质量百分比的 原料组成：蓝晶石基莫来石70wt％、工业硅粉15wt％、碳化硅15wt％、聚乙烯醇和 水的混合液，聚乙烯醇和水的质量百分比分别为混合原料总质量的2.5wt％和 20wt％。其中，工业硅粉和碳化硅的粒径≤0.1mm；莫来石颗粒组成为0-18目30wt％、 18-200目50wt％、200-325目20wt％。

复合材料制备方法：按照质量百分比蓝晶石基莫来石70wt％、工业硅粉15wt％、碳化硅15wt％称取混合原料；将称取的混合原料置于行星式搅拌机内，混料4小 时，加入聚乙烯醇和水的混合液，其质量百分比分别为混合原料总质量的2.5wt％ 和20wt％，继续混料0.5小时得混合料，将所得的混合料置于液压压机内成型， 成型压力为100MPa，得到坯体；将坯体在120℃干燥箱内干燥12小时后，置于 氨裂解气气氛烧结炉中，在700℃的条件下煅烧4小时，即得金属复合莫来石- 碳化硅陶瓷复合材料。

经检测，本实施例所制备的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料性能指标 为：体积密度1.97g/cm³，气孔率27.8％，常温耐压强度62MPa。

实施例3

本发明提供的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，由以下质量百分比的 原料组成：蓝晶石基莫来石80wt％、光伏产业的硅废料5wt％、碳化硅15wt％、糊 精和水的混合液，糊精和水质量百分比分别为混合原料总质量的15wt％和20wt％。 其中，光伏产业的硅废料和碳化硅的粒径≤0.1mm；莫来石颗粒组成为0-18目 30wt％、18-200目50wt％、200-325目20wt％。

复合材料制备方法：按照质量百分比蓝晶石基莫来石80wt％、光伏产业的硅 废料5wt％、碳化硅15wt％，称取混合原料；将称取的混合原料置于行星式搅拌机 内，混料4小时，加入糊精和水的混合液，其质量百分比分别为混合原料总质量 的15wt％和20wt％，继续混料0.5小时得混合料，将所得的混合料置于液压压机 内成型，成型压力为100MPa，得到坯体；将坯体在120℃干燥箱内干燥12小时 后，置于氮气气氛烧结炉中，在700℃的条件下煅烧4小时，即得金属复合莫来 石-碳化硅陶瓷复合材料。

经检测，本实施例所制备的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料性能指标 为：体积密度2.00cm³，气孔率28.5％，常温耐压强度58MPa。

实施例4

本发明提供的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，由以下质量百分比的 混合原料组成：氧化铝基莫来石60wt％、光伏产业的硅废料20wt％、碳化硅20wt％、 糊精和水的混合液，糊精和水质量百分比分别为混合原料总质量的15wt％和20wt％。 其中，光伏产业的硅废料和碳化硅的粒径≤0.1mm；莫来石颗粒组成为0-18目 30wt％、18-200目50wt％、200-325目20wt％。

复合材料制备方法：按照质量百分比氧化铝基莫来石65wt％、光伏产业的硅 废料15wt％、碳化硅20wt％，称取混合原料；将称取的混合原料置于行星式搅拌 机内，混料4小时，加入糊精和水的混合液，其质量百分比分别为混合原料总质 量的15wt％和20wt％，继续混料0.5小时得混合料，将所得的混合料置于液压压 机内成型，成型压力为100MPa，得到坯体；将坯体在120℃干燥箱内干燥12小 时后，置于氨裂解气气氛烧结炉中，在700℃的条件下煅烧4小时，即得金属复 合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料。

经检测，本实施例所制备的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料性能指标 为：体积密度1.83cm³，气孔率33.5％，常温耐压强度42MPa。

实施例5

本发明提供的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，由以下质量百分比的 原料组成：蓝晶石基莫来石75wt％、铝粉15wt％，、碳化硅10wt％、糊精和水的混 合液，糊精和水的质量百分比分别为混合原料总质量的15wt％和20wt％。其中， 铝粉和碳化硅的粒径≤0.1mm；莫来石颗粒组成为0-18目30wt％、18-200目50wt％、 200-325目20wt％。

复合材料制备方法：按照质量百分比蓝晶石基莫来石75wt％、铝粉15wt％、 碳化硅10wt％，称取混合原料；将称取的混合原料置于行星式搅拌机内，混料4 小时，加入糊精和水的混合液，其质量百分比分别为混合原料总质量的15wt％和 20wt％，继续混料0.5小时得混合料，将所得的混合料置于液压压机内成型，成 型压力为100MPa，得到坯体；将坯体在120℃干燥箱内干燥12小时后，置于氨 裂解气气氛烧结炉中，在660℃的条件下煅烧4小时，即得金属复合莫来石-碳化 硅陶瓷复合材料。

经检测，本实施例所制备的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料性能指标 为：体积密度2.08cm³，气孔率25.5％，常温耐压强度≥70MPa。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，其特征在于，由以下质量百分比原料组成：莫来石60-80wt％、金属粉4-20wt％、碳化硅5-20wt％、结合剂和水，余量；其中，结合剂、水的用量分别为混合原料总质量的2-30wt％、10-25wt％。

2.根据权利要求1所述的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，其特征在于：所述莫来石的颗粒组成为：0-18目10-30wt％，18-200目30-55wt％，200-325目15-45wt％。

3.根据权利要求1所述的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，其特征在于：所述莫来石为蓝晶石基、氧化铝基、矾土基莫来石中的一种。

4.根据权利要求1所述的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，其特征在于：所述金属粉为硅粉、铝粉中的任一种或两种的组合，其中硅粉为工业硅粉或光伏产业的硅废料。

5.根据权利要求1所述的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，其特征在于：所述金属粉和碳化硅的粒度≤0.1mm。

6.根据权利要求1所述的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料，其特征在于：所述结合剂为水玻璃、糊精、纸浆废液、聚乙烯醇中的任一种、或两种及两种以上的混合液。

7.一种金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按照权利要求1-6任一项中的原料质量百分比称取各组分；

(2)将称取的莫来石、金属粉、碳化硅置于混料机中，混料1-4小时，得混合粉体；

(3)将称取的结合剂和水的混合液加入到步骤(2)所得的混合粉体中，混料0.5-2小时，得混合料；

(4)将步骤(3)所得的混合料置于液压压机内进行成型处理，成型压力为70-150Mpa，得坯体；

(5)将步骤(4)所得的坯体置于70-120℃的干燥箱内干燥4-24小时后，置于非氧化性气氛烧结炉中，在600-750℃的条件下低温煅烧，煅烧时间2-4小时后，随炉冷却至室温，即得金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料。

8.根据权利要求7所述的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的混料机为行星式混料机、搅拌式混料机、滚筒式混料机中的一种。

9.根据权利要求7所述的金属复合莫来石-碳化硅陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中的非氧化性气氛为氮气、氨裂解气、惰性气氛中的一种。