CN104987097A

CN104987097A - 一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104987097A
Application number: CN201510459198.4A
Authority: CN
Inventors: 梁峰; 张海军; 张少伟; 鲁礼林; 李发亮; 段红娟; 刘江昊
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2015-10-21

Abstract

本发明涉及一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法。其技术方案是：以45~89wt%的碳化硅、10~50wt%的单质硅粉和0.1~5wt%的铬粉为原料，外加所述原料3~9wt%的结合剂，搅拌均匀，压制成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥10~48小时；干燥后的坯体在氮气气氛中，以2~10℃/min的速率升温至1300~1400℃，保温2~20小时，随炉自然冷却，即得氮化硅结合碳化硅耐火材料。本发明的制备方法具有反应温度低、反应完全和产业化前景大的特点，所制备的氮化硅结合碳化硅耐火材料气孔率小、强度高、抗热震性好、抗侵蚀性优异和寿命长。

Description

一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法

技术领域

本发明属于碳化硅复相耐火材料技术领域。具体涉及一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法。

背景技术

氮化硅结合碳化硅耐火材料是以氮化硅为结合相，由硅粉和碳化硅颗粒混合成型，在高温(1400～1450℃)和氮气气氛下烧结而成，不仅具有密度大、强度高、热震稳定性好、荷重软化点高、导热性好、抗氧化性优良和电阻值高等特点，且具有优良的抗冰晶石、氟化铝、氟化钠和氟化钙的熔化侵蚀性，是一种有发展前途的高温结构材料。

氮化硅结合碳化硅耐火材料一般采用反应烧结工艺制备，在烧成过程中，材料边缘先与N₂发生氮化反应，随着反应进行，材料边缘致密化逐渐增加，会阻止氮气向材料内部渗透，致使材料中心氮化反应难以完全，最终使得材料中心部分因难以形成氮化硅增强相，导致材料性能下降。为解决这一难题，研究者通常在配料中加入氧化铝、氧化镁、氧化铁或/和氧化钇等添加剂，通过形成低共熔相而促进氮化反应。然而，这些低共熔相的生成对材料的高温强度和抗热震性均有害。此外，“一种氮化硅结合碳化硅复相耐高温材料及其制备方法”(CN103896593 B)专利技术，采用Fe、Co、Ni等过渡金属作为催化剂，促进Si粉的氮化反应，同时控制氮化硅沿一定方向生长，形成部分一维氮化硅纳米结构。但须指出的是，Fe、Co、Ni过渡金属熔点较低，易与Si反应生成低熔点共晶相，液相的存在会导致氮化硅材料的高温力学能力和抗蠕变性降低。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的不足，目的是提供一种反应温度低、反应完全和产业化前景大的氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法；用该方法制备的氮化硅结合碳化硅耐火材料气孔率小、强度高、抗热震性好、抗侵蚀性优异和寿命长。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：以45～89wt％的碳化硅、10～50wt％的单质硅粉和0.1～5wt％的铬粉为原料，外加所述原料3～9wt％的结合剂，搅拌均匀，压制成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥10～48小时。干燥后的坯体在氮气气氛中，以2～10℃/min的速率升温至1300～1400℃，保温2～20小时，随炉自然冷却，即得氮化硅结合碳化硅耐火材料。

所述单质硅粉中的Si含量≥90wt％，粒径≤88μm。

所述铬粉中的Cr含量≥95wt％，粒径≤10μm。

所述结合剂为糊精、木质素磺酸钙和聚乙烯醇中的一种以上。

所述压制成型的压强是100～300MPa。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果和突出特点：

1、本发明采用Cr为催化剂，降低了氮化反应温度，缩短了反应时间，促进了硅粉的氮化反应，解决了硅粉氮化不完全的问题；

2、本发明利用Cr控制产物氮化硅沿一维方向生长，促进了原位生成氮化硅纳米晶须，对氮化硅结合碳化硅耐火材料起到增强增韧的效果；

3、本发明添加Cr粉，熔点高，高温下无液相生成，不影响材料的高温使用性能。本发明所制得的氮化硅结合碳化硅耐火材料的显气孔率为13～17％，体积密度为2.65～2.80g/cm³，常温抗折强度50～80MPa，耐压强度200～300MPa，高温抗折强度40～90MPa(1400℃)，并且具有良好的抗热震性、抗侵蚀性和抗氧化性。

因此，本发明的制备方法具有反应温度低、反应完全和产业化前景大的特点，所制备的氮化硅结合碳化硅耐火材料气孔率小、强度高、抗热震性好、抗侵蚀性优异和寿命长。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：

所述单质硅粉中的Si含量≥90wt％，粒径≤88μm。

所述铬粉中的Cr含量≥95wt％，粒径均≤10μm。

实施例1

一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法。以78～89wt％的碳化硅、10～20wt％的单质硅粉和0.1～2wt％的铬粉为原料，外加所述原料3～6wt％的糊精，搅拌均匀，在压强为100～200MPa条件下压制成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥10～24小时；干燥后的坯体在氮气气氛中，以2～5℃/min的速率升温至1300～1350℃，保温2～10小时，随炉自然冷却，即得氮化硅结合碳化硅耐火材料。

实施例2

一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法。以73～85wt％的碳化硅、15～25wt％的单质硅粉和0.15～2.5wt％的铬粉为原料，外加所述原料4～7wt％的木质素磺酸钙，搅拌均匀，在压强为200～300MPa条件下压制成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥24～36小时。干燥后的坯体在氮气气氛中，以5～10℃/min的速率升温至1350～1400℃，保温2～10小时，随炉自然冷却，即得氮化硅结合碳化硅耐火材料。

实施例3

一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法。以67～80wt％的碳化硅、19～30wt％的单质硅粉和0.2～3wt％的铬粉为原料，外加所述原料6～9wt％的聚乙烯醇，搅拌均匀，在压强为150～250MPa条件下压制成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥36～48小时。干燥后的坯体在氮气气氛中，以2～5℃/min的速率升至1300～1350℃，保温8～16小时，随炉自然冷却，即得氮化硅结合碳化硅耐火材料。

实施例4

一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法。以62～75wt％的碳化硅、24～35wt％的单质硅粉和0.25～3.5wt％的铬粉为原料，外加所述原料5～8wt％的糊精和木质素磺酸钙的混合物，搅拌均匀，在压强为100～200MPa条件下压制成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥24～36小时。干燥后的坯体在氮气气氛中，以5～10℃/min的速率升温至1350～1400℃，保温8～16小时，随炉自然冷却，即得氮化硅结合碳化硅耐火材料。

实施例5

一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法。以51～64wt％的碳化硅、35～45wt％的单质硅粉和0.35～4.5wt％的铬粉为原料，外加所述原料6～9wt％的木质素磺酸钙和聚乙烯醇的混合物，搅拌均匀，在压强为150～250MPa条件下压制成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥36～48小时。干燥后的坯体在氮气气氛中，以2～5℃/min的速率升温至1300～1350℃，保温10～20小时，随炉自然冷却，即得氮化硅结合碳化硅耐火材料。

实施例6

一种氮化硅结合碳化硅耐火材料及其制备方法。以45～59wt％的碳化硅、40～50wt％的单质硅粉和0.4～5wt％的铬粉为原料，外加所述原料6～9wt％的糊精、木质素磺酸钙和聚乙烯醇的混合物，搅拌均匀，在压强为200～300MPa条件下压制成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥36～48小时。干燥后的坯体在氮气气氛中，以2～5℃/min的速率升温至1300～1350℃，保温10～20小时，随炉自然冷却，即得氮化硅结合碳化硅耐火材料。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果和突出特点：

1、本具体实施方式采用Cr为催化剂，降低了氮化反应温度，缩短了反应时间，促进了硅粉的氮化反应，解决了硅粉氮化不完全的问题；

2、本具体实施方式利用Cr控制产物氮化硅沿一维方向生长，促进了原位生成氮化硅纳米晶须，对氮化硅结合碳化硅耐火材料起到增强增韧的效果；

3、本具体实施方式添加Cr粉，熔点高，高温下无液相生成，不影响材料的高温使用性能。本具体实施方式所制得的氮化硅结合碳化硅耐火材料的显气孔率为13～17％，体积密度为2.65～2.80g/cm³，常温抗折强度50～80MPa，耐压强度200～300MPa，高温抗折强度40～90MPa(1400℃)，并且具有良好的抗热震性、抗侵蚀性和抗氧化性。

因此，本具体实施方式的制备方法具有反应温度低、反应完全和产业化前景大的特点，所制备的氮化硅结合碳化硅耐火材料气孔率小、强度高、抗热震性好、抗侵蚀性优异和寿命长。

Claims

1.一种氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法，其特征在于以45～89wt％的碳化硅、10～50wt％的单质硅粉和0.1～5wt％的铬粉为原料，外加所述原料3～9wt％的结合剂，搅拌均匀，压制成型，成型后的坯体在110℃条件下干燥10～48小时；干燥后的坯体在氮气气氛中，以2～10℃/min的速率升温至1300～1400℃，保温2～20小时，随炉自然冷却，即得氮化硅结合碳化硅耐火材料。

2.根据权利要求1氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法，其特征在于所述单质硅粉中的Si含量≥90wt％，粒径≤88μm。

3.根据权利要求1氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法，其特征在于所述铬粉中的Cr含量≥95wt％，粒径≤10μm。

4.根据权利要求1氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法，其特征在于所述结合剂为糊精、木质素磺酸钙和聚乙烯醇中的一种以上。

5.根据权利要求1氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法，其特征在于所述压制成型的压强是100～300MPa。

6.一种氮化硅结合碳化硅耐火材料，其特征在于所述氮化硅结合碳化硅耐火材料是根据权利要求1～5项中任一项所述氮化硅结合碳化硅耐火材料的制备方法所制备的氮化硅结合碳化硅耐火材料。