CN102211937A

CN102211937A - 一种高纯铝硅碳超细粉体的合成方法

Info

Publication number: CN102211937A
Application number: CN2010101435905A
Authority: CN
Inventors: 赵建立; 汪长安; 黄勇; 白春丽; 白周义
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2030-04-07
Also published as: CN102211937B

Abstract

本发明公开了一种铝硅碳超细粉体的制备方法。该方法包括下述步骤：1)称量下述质量百分比的原料：高岭石20～30％，Al₂O₃原料40～50％和炭原料20～30％，将所述原料搅拌混合，得混合料；2)将所述混合料在真空或氩气气氛中，于1600-1700℃加热并保温8-10小时，冷却后，除去产物表面的杂质层，即得到铝硅碳超细粉体。本发明所制备的铝硅碳超细粉体的平均粒度为2～5μm，Al₄SiC₄质量百分含量大于99％。该铝硅碳超细粉体可直接用作陶瓷制品基质组分；不需要先合成块体铝硅碳材料，再将块体破碎成超细粉，从而节约了能源。且本发明的方法简便易行、效率高，所得产品的产率、纯度均较高。

Description

一种高纯铝硅碳超细粉体的合成方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种高纯铝硅碳超细粉体的合成方法。

背景技术

Barczak于1961年首先报道了铝硅碳(Al₄SiC₄)的存在。铝硅碳热导率大(80W·m^-1·K^-1)，高温弯曲强度比室温弯曲强度高50％，高温氧化后在表面生成致密抗高温保护膜(刚玉和莫来石)以阻止铝硅碳内部进一步的氧化，在氧化气氛中于1800℃仍可以稳定的使用，从而适合于作为高温陶瓷材料。铝硅碳电阻率随温度的升高而下降(100℃和1000℃的电阻率分别为1.14×10⁴Ω·cm和1.71×10^-1Ω·cm)，适合于制作高温发热体。且铝硅碳具有和碳化硅相近的抗酸碱腐蚀性能。

Yamaguchi等报道了铝硅碳的几种合成方法，以金属(Al+Si)和石墨为原料(Journalof the Ceramic Society of Japan，1995，103(1)：20～24)，或以碳化物(Al₄C₃+SiC)为原料(Ceramic Engineering and Science Proceedings，2005，26(3)：181～188)，在氩气或真空的气氛中，加热合成铝硅碳。

但现有的铝硅碳合成方法均以金属或碳化物为原料，原料成本高造成合成的铝硅碳价格高，无法大规模工业应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝硅碳超细粉体的制备方法。该方法以氧化物为原料，采用碳热还原工艺生产铝硅碳，具有成本低、工艺简单的特点，利于工业生产和应用。

本发明所提供的铝硅碳超细粉体的制备方法，包括下述步骤：

1)称量下述质量百分比的原料：高岭石20～30％，Al₂O₃原料40～50％和炭原料20～30％，将所述原料混合，得混合料；

2)将所述混合料在真空或氩气气氛中，于1600-1700℃加热并保温8-10小时，冷却后，除去产物表面的杂质层，即得到铝硅碳超细粉体。

其中，步骤1)中的原料可进一步由下述质量百分比的物质组成：高岭石26～28％，Al₂O₃原料45～47％和炭原料27％。

所述原料中高岭土的粒度可为1-10μm；Al₂O₃原料的粒度可为1-10μm；炭原料的粒度可为1-10μm。

所述各种原料的规格如下：

所述高岭土中Al₂O₃与SiO₂的质量百分含量之和≥83％，挥发分的质量百分含量≤16％，其它杂质的质量百分含量≤1％。天然高岭石矿经常和煤炭伴生，通常是作为采煤时的副产品被作为垃圾扔掉了，既浪费资源又污染环境，本发明以天然高岭石矿为原料，充分利用自然资源，变废为宝。

所述Al₂O₃原料中Al₂O₃的质量百分含量≥99％。本发明中的Al₂O₃原料具体可选自下述任意一种：烧结刚玉、电熔刚玉和Al₂O₃细粉。

所述炭原料中固定碳的质量百分含量≥87％，挥发分的质量百分含量≤12％，灰分的质量百分含量≤1％。本发明中的炭原料具体可选自下述任意一种：石墨、炭黑、石油焦炭和煤焦炭。

步骤1)中为了使原料混合均匀，可在所述原料中加入乙醇，乙醇加入量以浸没固体物料为宜。在原料搅拌混匀过程中，乙醇不断挥发，当乙醇全部挥发掉后，可得到均匀的混合料。为了加快乙醇挥发，可在真空条件下搅拌混合，如在真空加热旋转式混合机中进行。并将混合料在110～300℃烘干后再进行步骤2)的处理。

本发明以天然高岭石(Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O，Al₂Si₂O₅(OH)₄)和Al₂O₃为主要原料，C为还原剂，在真空或高纯Ar气氛中，1600～1700℃加热，保温8～10小时，合成平均粒度为2～5μm的高纯铝硅碳超细粉体(Al₄SiC₄质量百分含量大于99％)。该铝硅碳超细粉体可直接用作陶瓷制品基质组分；不需要先合成块体铝硅碳材料，再将块体破碎成超细粉，从而节约了能源。且本发明的方法简便易行、效率高，所得产品的产率、纯度均较高。

附图说明

图1为实施例2合成的铝硅碳超细粉体的XRD图谱。

图2为实施例2合成的铝硅碳超细粉体的SEM照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中原料的规格均满足下述条件：高岭土中Al₂O₃与SiO₂的质量百分含量之和≥83％，挥发分的质量百分含量≤16％，其它杂质的质量百分含量≤1％；所述Al₂O₃原料中Al₂O₃的质量百分含量≥99％；所述炭原料中固定碳的质量百分含量≥87％，挥发分的质量百分含量≤12％，灰分的质量百分含量≤1％。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

下述实施例中Al₄SiC₄含量测定均按照下述方法进行：合成物先进行元素分析，确定无氧元素存在；合成物在氧化气氛中700℃加热除去游离碳；对除去游离碳的合成物进行元素分析，根据Al、Si、C三种元素的含量和Al₄SiC₄、SiC、Al₄C₃的分子组成，计算得到Al₄SiC₄、SiC、Al₄C₃的含量。

实施例1、合成铝硅碳超细粉体

选用配方为：炭黑(平均粒度2μm)∶Al₂O₃细粉(平均粒度3μm)∶Al₂Si₂O₅(OH)₄(高岭土，平均粒度5μm)＝27∶45∶28(质量比)，进行称量配料，加入酒精至浸没物料为止，在真空加热旋转式混合机上充分搅拌混合，得到的混合料在110℃烘干。烘干后混合料装入石墨坩埚中(石墨坩埚不加盖子)，石墨坩埚放入电炉中，在真空气氛中1600℃加热，保温8小时，冷却后，除去上表面杂质富集层，即得到平均粒度为2～5μm的铝硅碳超细粉体，其中，Al₄SiC₄含量为99.1％，SiC含量为0.3％。

实施例2、合成铝硅碳超细粉体

选用配方为：石墨(平均粒度5μm)∶电熔刚玉(平均粒度5μm)∶Al₂Si₂O₅(OH)₄(高岭土，平均粒度3μm)＝27∶47∶26(质量比)，进行称量配料，加入酒精至浸没物料为止，在真空加热旋转式混合机上充分搅拌混合，得到的混合料在110℃烘干。烘干后混合料装入石墨坩埚中(石墨坩埚不加盖子)，石墨坩埚放入电炉中，在真空气氛中1600℃加热，保温8小时，冷却后，除去上表面杂质富集层，即得到平均粒度为2～5μm的铝硅碳超细粉体，其中，Al₄SiC₄含量为99.3％。该铝硅碳超细粉体的扫描电镜照片如图2所示。

所合成的铝硅碳超细粉体的XRD图谱见图1。将该XRD谱线与铝硅碳的特征谱线进行比对，两者完全吻合，因此可以确定合成物主要成分为铝硅碳。

实施例3、合成铝硅碳超细粉体

选用配方为：石油焦碳(平均粒度8μm)∶烧结刚玉(平均粒度5μm)∶Al₂Si₂O₅(OH)₄(高岭土，平均粒度8μm)＝27∶45∶28，进行称量配料，加入酒精至浸没物料为止，在真空加热旋转式混合机上充分搅拌混合，得到的混合料在110℃烘干。烘干后混合料装入石墨坩埚中(石墨坩埚不加盖子)，石墨坩埚放入电炉中，在99.99％以上高纯Ar气氛中1700℃加热，保温10小时，冷却后，除去上表面杂质富集层，即得到平均粒度为2～5μm的铝硅碳超细粉体，其中，Al₄SiC₄含量为99.1％，SiC含量为0.3％。

实施例4、合成铝硅碳超细粉体

选用配方为：煤焦炭(平均粒度8μm)∶Al₂O₃细粉(平均粒度8μm)∶Al₂Si₂O₅(OH)₄(高岭土，平均粒度8μm)＝27∶47∶26，进行称量配料，加入酒精至浸没物料为止，在真空加热旋转式混合机上充分搅拌混合，得到的混合料在110℃烘干。烘干后混合料装入石墨坩埚中(石墨坩埚不加盖子)，石墨坩埚放入电炉中，在99.99％以上高纯Ar气氛中1700℃加热，保温10小时，冷却后，除去上表面杂质富集层，即得到平均粒度为2～5μm的铝硅碳超细粉体，其中，Al₄SiC₄含量为99.3％。

Claims

1.一种铝硅碳超细粉体的制备方法，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述原料的组成如下：高岭石26～28％，Al₂O₃原料45～47％和炭原料27％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述高岭土的粒度为1-10μm；所述Al₂O₃原料的粒度为1-10μm；所述炭原料的粒度为1-10μm。

4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：所述高岭土中Al₂O₃与SiO₂的质量百分含量之和≥83％，挥发分的质量百分含量≤16％，其它杂质的质量百分含量≤1％。

5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于：所述Al₂O₃原料中Al₂O₃的质量百分含量≥99％；所述Al₂O₃原料选自下述任意一种：烧结刚玉、电熔刚玉和Al₂O₃细粉。

6.根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于：所述炭原料中固定碳的质量百分含量≥87％，挥发分的质量百分含量≤12％，灰分的质量百分含量≤1％。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述炭原料选自下述任意一种：石墨、炭黑、石油焦炭和煤焦炭。

8.根据权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述原料在乙醇中混合；所述混合在真空加热旋转式混合机中进行。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法还包括在步骤2)前对步骤1)得到的混合料进行烘干的步骤；所述烘干的温度为110-300℃。

10.根据权利要求1-9中任一所述的方法，其特征在于：所述铝硅碳超细粉体的平均粒径为2-5μm。