CN102730690A

CN102730690A - 一种Al4SiC4材料的合成方法

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Publication number: CN102730690A
Application number: CN2012102115138A
Authority: CN
Inventors: 阮国智; 张智慧; 尹明强; 徐海森; 徐国纲
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2012-06-16
Filing date: 2012-06-16
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-06-16
Also published as: CN102730690B

Abstract

本发明涉及一种Al₄SiC₄材料的合成方法。所采用的技术方案是：按重量百分含量将45～65％的Al粉、20～35％的SiC粉、15～30％碳粉在行星球磨中加无水乙醇混合均匀后，80～120℃下烘干，成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1500～1700℃加热并保温2～7小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。本发明的方法不需要在真空或惰性气体等保护气氛下合成，工艺简单，合成温度比较低，所得产品的产率、纯度较高，适于规模化生产。产品既可用作陶瓷制品基质组分，也可作为添加剂引入到含碳耐火材料中提高其抗氧化等性能。

Description

一种Al4SiC4材料的合成方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域。具体涉及一种耐火材料用Al₄SiC₄材料及其合成方法。

背景技术

Al₄SiC₄具有高熔点、高化学稳定性、高强度、低热膨胀系数以及非常优异的高温强度、抗氧化和抗水化性能，是一种待开发的、很有前途的高温结构和高性能耐火材料。目前国内外合成Al₄SiC₄材料主要是以金属(Al+Si)、氧化物(Al₂O₃+SiO₂)和碳粉为原料(Itatani.K，Takahashi.F，et al，Densification andmicro-structural developments during the sintering of aluminum silicon carbide.Journal of Material Science，2002，37：335-342.)，或以碳化物(Al₄C₃+SiC)为原料(Roger Wills，Steve Goodrich，The Oxidation of Aluminum Silicon Carbide.CeramicEngineering and Science Proceedings，2005，26(3)：181～188)在惰性气体或真空的气氛中经高温加热合成。由于需要控制气氛，且合成温度高，制造工艺复杂，造成合成的Al₄SiC₄材料价格高，无法大规模工业应用。

中国专利申请号201010143590.5(CN102211937A)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。该方法也需要在惰性气体或真空的气氛中经高温加热合成，所以仍然没解决制造工艺复杂、制造的材料成本高的技术问题。

发明内容

为了克服现有合成Al₄SiC₄材料技术成本高、工艺复杂的缺陷，本发明提供一种Al₄SiC₄材料的制备方法。该方法以Al粉、SiC粉和碳粉为原料，在埋碳气氛下，利用普通电炉，采用液态熔铝烧结法制备Al₄SiC₄材料，具有成本低、工艺简单的特点，利于工业生产和应用。

为实现上述目的，本发明Al₄SiC₄材料的合成方法，是将工业纯的Al粉、SiC粉和碳粉按照重量百分比(55～65)％∶(20～25)％∶(15～25)％的比例混合，经压制成型、干燥后，在埋碳气氛下采用液态熔铝烧结法进行烧制、保温和冷却，即得到Al₄SiC₄材料。

所述Al粉、碳化硅粉及碳粉的粒度优选小于0.088mm，所述的碳粉优选为为石墨或炭黑。

本发明更详细的合成工艺为：按重量百分含量将工业用的45～65％的Al粉、20～35％的SiC粉、15～30％碳粉在行星球磨中加无水乙醇混合均匀后，80～120℃下烘干，将烘干的混合料在200～300MPa压力下成型，然后将试样埋在装有金属铝粉且不带盖的石墨坩埚中，金属铝粉的量应装满石墨坩埚且保证能将试样完全埋住，再将石墨坩埚埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，焦炭粉应将刚玉匣钵装满并将石墨坩埚完全埋住，并用刚玉盖板将匣钵盖住，再将刚玉匣钵放入电炉内，于1500～1700℃加热并保温2～7小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。

为了便于成型，在烘干的混合料中加入占烘干后混合料重量0-5％的结合剂。比如0-5％的酚醛树脂。

本发明的化学反应式为4Al(l)+3C(S)+SiC(S)→Al₄SiC₄

本发明的优点是：

1、以Al粉、SiC粉和碳粉为原料，在埋碳气氛下合成Al₄SiC₄材料，无需在惰性或真空气氛中合成，工艺简单。

2、在Al₄SiC₄材料合成过程中，采用熔渗(熔渗铝)烧结工艺，一方面熔融铝液能阻止Al₄C₃与气氛中CO的反应，保证Al₄SiC₄材料的合成；另一方面，在热处理过程中，随着Al的熔融，大量的铝液流动扩散到试样中，将试样中的SiC、C包覆，通过液相反应生成大量的Al₄C₃，进而Al₄C₃与SiC反应生成Al₄SiC₄材料。由于具有液相反应的特点，因此烧制时间短，需要2～7小时，而现有技术一般需要8-10小时。因此，本发明在不提高合成温度的前提下，降低了烧制时间，从而降低了大约20％左右的生产成本低，也易于工业化生产。用该方法制备的Al₄SiC₄材料其Al₄SiC₄含量可达95％以上，其它的杂质为SiC和AlN，这些杂质对其作为耐火材料使用不会产生有害的影响。本方法制备的Al₄SiC₄材料既可用作耐火材料制品基质组分，也可作为添加剂引入到含碳耐火材料中提高其抗氧化等性能。

附图说明

图1为本发明实施例合成的Al₄SiC₄材料的XRD图片。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明做进一步的描述，并非对保护范围的限制。下述实施例中原料的粒度均为小于0.088mm。同时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。

实施例1

一种Al₄SiC₄材料的合成方法。按质量百分含量将55％的Al粉、25％的SiC粉、20％的炭黑进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干。将得到的混合料在300MPa压力下压制成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1600℃加热并保温3小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。

从图1可以看出，本发明合成后材料的物相为Al₄SiC₄。

实施例2

一种Al₄SiC₄材料的合成方法。按质量百分含量将65％的Al粉、20％的SiC粉、15％的石墨进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干。将得到的混合料在250MPa压力下压制成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1650℃加热并保温4小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。

实施例3

一种Al₄SiC₄材料的合成方法。按质量百分含量将61％的Al粉、22％的SiC粉、17％的石墨进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干。在烘干后的混合料中加入混合料重量3％的酚醛树脂作为结合剂，在220MPa压力下压制成型，制品在240℃处理后，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1600℃加热并保温3小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。

实施例4

一种Al₄SiC₄材料的合成方法。按质量百分含量将61％的Al粉、22％的SiC粉、17％的炭黑进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干。在烘干后的混合料中加入混合料重量4％的酚醛树脂作为结合剂，在200压力下压制成型，制品在240℃处理后，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1650℃加热并保温4小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。

Claims

1.一种Al₄SiC₄材料的合成方法，其特征在于，它是将工业纯的Al粉、SiC粉和碳粉按照重量百分比(55～65)％∶(20～25)％∶(15～25)％的比例混合，经压制成型、干燥后，在埋碳气氛下采用液态熔铝烧结法进行烧制、保温和冷却，即得到Al₄SiC₄材料。

2.如权利要求1所述的Al₄SiC₄材料的合成方法，其特征在于，所述的Al粉、碳化硅粉及碳粉的粒度均小于0.088mm。

3.如权利要求1所述的Al₄SiC₄材料的合成方法，其特征在于，所述的碳粉为石墨或炭黑。

4.如权利要求1-3任一所述的Al₄SiC₄材料的合成方法，其特征在于，详细步骤为：按重量百分含量将工业用的45～65％的Al粉、20～35％的SiC粉和15～30％的碳粉在行星球磨中加无水乙醇混合均匀后，80～120℃下烘干，将烘干的混合料在200～300MPa压力下成型，然后将试样埋在装有金属铝粉且不带盖的石墨坩埚中，金属铝粉的量应装满石墨坩埚且保证能将试样完全埋住，再将石墨坩埚埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，焦炭粉应将刚玉匣钵装满并将石墨坩埚完全埋住，并用刚玉盖板将匣钵盖住，再将刚玉匣钵放入电炉内，于1500～1700℃加热并保温2～7小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。

5.如权利要求4所述的Al₄SiC₄材料的合成方法，其特征在于，按质量百分含量将55％的Al粉、25％的SiC粉、20％的炭黑进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干；将烘干得到的混合料在300MPa压力下压制成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1600℃加热并保温3小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。

6.如权利要求4所述的Al₄SiC₄材料的合成方法，其特征在于，按质量百分含量将65％的Al粉、20％的SiC粉、15％的石墨进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干；将烘干得到的混合料在250MPa压力下压制成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1650℃加热并保温4小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。

7.如权利要求4所述的Al₄SiC₄材料的合成方法，其特征在于，按质量百分含量将61％的Al粉、22％的SiC粉、17％的石墨进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干；在烘干后的混合料中加入混合料重量3％的酚醛树脂作为结合剂，在220MPa压力下压制成型，制品在240℃处理后，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1600℃加热并保温3小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。

8.如权利要求4所述的Al₄SiC₄材料的合成方法，其特征在于，按质量百分含量将61％的Al粉、22％的SiC粉、17％的炭黑进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80℃烘干；在烘干后的混合料中加入混合料重量4％的酚醛树脂作为结合剂，在200压力下压制成型，制品在240℃处理后，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1650℃加热并保温4小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al₄SiC₄材料。