CN106747446A - 一种微波混合加热合成Al4SiC4粉体的新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种高温陶瓷Al4SiC4粉体材料的合成方法。该方法通过将原料混合均匀后压块，利用自制的反应器，在惰性气氛的保护下通过微波混合加热合成Al4SiC4粉体。通过这种方法，可快速制备Al4SiC4陶瓷粉体，将烧结时间大大缩短，与传统陶瓷制备方法相比效率提高了数十倍。同时获得了较好单相的样品。本发明方法节约能源、生产效率高、环保无污染、工艺简单、所得产品纯度较高，具有很高的应用价值。

Description

一种微波混合加热合成Al4SiC4粉体的新方法
技术领域
本发明具体涉及一种高温陶瓷Al4SiC4粉体材料的合成方法。
背景技术
三元碳化物碳硅化铝是一种新型共价键的化合物，Al4SiC4陶瓷具有熔点高、硬度高、强度大、导电导热性好、低膨胀系数、抗氧化和抗侵蚀能力强等特点，因此在耐火材料行业具有很好的开发前景。
1961年，Barzak等人[Xiaomei Xi, Xiaofeng Yang.Spontaneous infiltrationof aluninum-silicon alloy into silicon carbide performs in air[J]. J. Am.Ceram. Soc., 1996, 79(1): 102-108.]采用 4∶1 摩尔比的铝和硅的混合粉末，蒸馏提纯后首次得到了Al4SiC4。随后Inou等人[Akira Yamaguchi,Shaowei Zhang.Synthsis andsome properties of Al4SiC4[J]. J. Am.Ceram. Soc., 1995, 103(1): 20-24.]采用 X射线单晶衍射和 X 射线粉末衍射的方法获取了Al4SiC4晶体学数据：空间群被标定为P63mc，六方晶体结构单元尺寸为 a＝0.32771±0.00001nm，c＝2.16716±0.0002nm。近年来，Al4SiC4陶瓷因其较低的密度（3.03g/cm3）、较高的熔点(＞2037℃)、在高温下具有稳定的理化性能和优良的机械性能等特性而逐渐受到人们的关注。然而由于制作上的困难，一直以来Al4SiC4的合成及性能的报道非常有限。
至今为止，Al4SiC4在国内外有两种相应的制备方法：一种是固-固合成，另一种是固-液合成。固-固合成，具体方法有高温自蔓延法、热压烧结法、等离子喷涂法、固相反应烧结法等；固-液合成，主要包括电弧焊法、渗透法等等。这些方法的共同缺点是合成温度高，反应时间长，浪费能源，成本高。2009年，周军、王刚、李红霞等人在专利（CN 101619554 A）中提供了一种Al4SiC4粉体材料的制备方法，其原料按重量百分比球磨混合16-30h;冷压成30%-60%相对密实度的预制块;在100-200℃温度下保温烘干6-8h;预制块置于碳毡制的容器内层,外层填入辅助燃烧剂,抽真空后,通入氮气,自蔓延高温合成所需粉体。该工艺方法耗费时间长，合成的材料致密度低。
温广武等人通过热压烧结方式[G. W. Wen, X. X. Huang.Increased hightemperature strength and oxidation resistance of Al4SiC4 ceramics[J]. J. Eur.Ceram. Soc, 2006, 26: 1281-1286.]，采用天然石墨、金属铝粉和聚碳化硅烷（PCS）为原料，制成 Φ55 mm×5 mm 的试样，然后在氩气环境下将原料分解为高活性的 Al、SiC、C，通过热压烧结方式进行反应，生成Al4SiC4材料。该工艺方法生产率低、成本高。
2013年，杜文献、周莉萍等人在专利（CN 103304237 A）中提供了一种Al4SiC4粉体材料的制备方法，该方法以煤矸石、金属铝粉和碳粉为原料，利用等离子喷涂法直接喷涂制备 Al4SiC4材料。该工艺方法缺点是噪音大、粉尘多，对人体有害。
K.Itatani 等人固相反应烧结法[ K. Itatani, F. Takahashi, M. Aizawa, etal. Densification and microstructural developments during the sintering ofaluminium silicon carbide[J]. J. Mater. Sci., 2002, 37: 335-342.]以 4 : 1 : 4的比例混合Al 粉、Si 粉和活性碳粉，研磨成粉末后在氩气气氛下加热到 1600 ℃，恒定10 小时后，即可得到Al4SiC4粉末。该工艺生产效率低。
2012年，阮国智、张智慧等人在专利（CN 102730690 A）中提供了一种Al4SiC4材料的制备方法，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。该工艺制备不便，纯度较低。
A. Urena 等人电弧焊法[A.Urena, P.Rodrigo, L.Gil. Interfacialreactions in an Al-Cu-Mg(2009)/SiCw composite during liquid processing[J]. J.Mater. Sci., 2001, 36: 429-439.]在利用 SiC 晶须进行试验时，偶然发现利用电弧焊产生的高能在接触面上出现了针状的 β-Al4SiC4。该工艺方法电弧流动速度高，反应物在高温区停留时间短，存在寿命的问题，合成产物纯度低。
Xiaofeng Yang 等人渗透法[Xiaomei Xi, Xiaofeng Yang. Spontaneousinfiltration of aluninum-silicon alloy into silicon carbide performs in air[J]. J. Am. Ceram. Soc., 1996, 79(1): 102-108.]将 Al-Si 合金溶液加热到 1200℃，然后浸入 Si-C 预制件，再迅速加热到 1500 ℃~1600 ℃，并进行十分钟渗透，就可得到5 mm厚的Al4SiC4，但含有少量的 Al、α-SiC 及 SiC 相。该工艺合成材料含有少量杂质相，纯度低。
若要将Al4SiC4陶瓷应用至工程领域，需要大量、高纯、低成本的Al4SiC4陶瓷耐火材料。本发明采用微波混合加热的方法在很短的时间便制备出纯度很高的Al4SiC4陶瓷粉体材料，大大降低了生产成本。
与普通的微波合成技术相比，微波混合加热技术有不少优点：首先是适用范围广，既可以加热微波吸收性能很差以及容易挥发的反应物，也能制备容易氧化的样品；其次是设备简单，除了真空气氛微波烧结炉以外，只需要氧化铝坩埚等普通材料；另外，该技术节能省时，加热时间一般只需几分钟，最长也不过几十分钟。因此，为了节约能源、降低生产成本，有必要探索一种低成本、工艺简单的Al4SiC4粉体材料的制备方法，以便更好地满足Al4SiC4陶瓷耐火材料适应高要求钢铁冶炼的需要。
发明内容
本发明目的是提供一种Al4SiC4粉体材料的合成方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现，采用微波混合加热技术。
主要包过以下步骤：
①原料及样品制备：
2.将石墨粉、铝粉、硅粉按照一定比例称量并混匀，然后压片。
3.将压片放入小坩埚中，用脱模介质包裹，然后将小坩埚放入装有加热介质的大坩埚中。
4.将组装好的样品放入真空气氛微波烧结炉内，在惰性气氛的保护下通过微波混合加热合成单相的Al4SiC4粉体材料。
②评价：用XRD对样品进行表征。
③优点：
4.本发明设备简单，工艺容易控制，能耗较低。
5.所制备的样品中Al4SiC4相含量较高，接近单相。
6.制备时间短，与传统制备方法相比，效率提高了数十倍。
④说明：
3.用适当压力压制样品片，微波加热时间较短。
4.惰性气体为不与样品反应的气体。
5.所述的加热介质为能够吸收微波的材料。
附图说明：
图1是本发明提供的实施例后得到的样品的XRD图谱。
具体实施方式：
实施例1：
以铝粉、硅粉、石墨粉为原料。按照= (4.1:1:4)或(4:1.2:4)或(4:1:3.8)的摩尔比称重，将混合后的粉末置于研钵中研磨10-30分钟后，将粉末压制成柱体状后，把压块放于自制的反应器中，盖上氧化铝的坩埚盖子，将完全组装好待烧结的样品放入到微波烧结炉后，关闭炉门，抽取真空至-0.1后，关掉真空泵。通入氩气流量16-160L/h直至达到正常压力，调小通入氩气流量后，启动微波烧结，烧结时间一定,烧结温度1200℃，保温时间10min。同样方式取相同坩埚，配料、组装方式及烧结条件同上，保温时间不变，但烧结温度定为1300℃，待样品冷却后取出，用金相砂纸表面打磨，最后研碎从而得到Al4SiC4粉体。
实施例2：
以铝粉、硅粉、石墨粉为原料。按照=(4.1:1:4)或(4:1.2:4)或(4:1:3.8)的摩尔比称重，将混合后的粉末置于研钵中研磨10-30分钟后，将粉末压制成柱体状后，把压块放于自制的反应器中，盖上氧化铝的坩埚盖子，将完全组装好待烧结的样品放入到微波炉后，关闭炉门，抽取真空至-0.1后，关掉真空泵。通入氩气流量16-160L/h直至达到正常压力，调小通入氩气流量后，启动微波烧结，烧结温度1200℃，保温10min。同样方式取相同坩埚，配料、组装方式及烧结条件同上，烧结温度不变，但保温时间为15min。待样品冷却后取出，用金相砂纸表面打磨，最后研碎从而得到Al4SiC4粉体。
实施例3：
以铝粉、硅粉、石墨粉为原料。按照= 4.05:1:4 的摩尔比称重，将混合后的粉末置于研钵中研磨10-30分钟，后将粉末压制成柱体状材料。把压块放于自制的反应器中，盖上氧化铝的坩埚盖子，将完全组装好待烧结的样品放入到微波烧结炉后，关闭炉门，抽取真空至-0.1后，关掉真空泵。通入氩气流量16-160L/h直至达到正常压力，调小通入氩气流量后，启动微波烧结，烧结时间一定。烧结温度定为1200℃，保温时间10min,每次实验时，烧结温度、保温时间相同，但不断调整原料配比。待样品冷却后取出，用金相砂纸表面打磨，最后研碎从而得到Al4SiC4粉体。

Claims (4)

1.一种微波混合加热合成Al4SiC4粉体材料的制备方法，其特征在于：所述Al4SiC4粉体材料制备方法的具体步骤如下：
（1）以金属Al粉、Si粉和碳黑或者石墨为原料，将金属Al粉、Si粉和碳黑或者石墨按摩尔比（4.0～4.4）：（1～1.1）：（3.8～4）将上述三种物质进行充分混合:
（2）利用模具将步骤（1）的混合料压制成柱体状材料；
（3）将步骤(2)压制好的柱体状材料置于带有加热介质的自制反应器中；
（4）将步骤(3)中组装好的样品放入真空气氛微波烧结炉内，在不与原料和反应产物发生化学反应的惰性气体的保护下于一定温度下烧结，保温一定时间；
(5)将步骤（4）的烧结产物于研钵中粉碎，制得到Al4SiC4粉体。
2.根据权利要求1所述微波混合加热合成Al4SiC4粉体材料的制备方法，其特征在于：所述的自制反应器是在小坩埚中，用脱模介质包裹压制好的原料，然后将小坩埚放入装有加热介质的大坩埚中。
3.根据权利要求1所述微波混合加热合成Al4SiC4粉体材料的制备方法，其特征在于：所述的加热介质可以是石墨、氧化铜、碳化硅中的一种或者它们的混合物。
4.根据权利要求1所述微波混合加热合成Al4SiC4粉体材料的制备方法，其特征在于：加热时间为5～20分钟，加热温度为1100℃～1500°C。
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