CN108675780B - 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
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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
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 (1)
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75wt%、金属粉15wt%、碳化硅10wt%、结合剂和水;其中,结合剂、水的用量分别为混合原料总质量的15wt%、20wt%,所述混合原料为莫来石、金属粉和碳化硅的混合物;
所述莫来石的颗粒组成为:0-18目30wt%,18-200目50wt%,200-325目20wt%;
所述莫来石为蓝晶石基莫来石;
所述金属粉为铝粉;
所述铝粉和碳化硅的粒度≤0.1mm;
所述结合剂为糊精;
所述金属复合莫来石-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、碳化硅置于行星式搅拌机中,混料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100Mpa,得坯体;
(5)将步骤(4)所得的坯体置于120℃的干燥箱内干燥12小时后,置于氨裂解气气氛烧结炉中,在660℃的条件下煅烧,煅烧时间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。
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