CN110436927A - 一种高性能的Al4SiC4纤维及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能的Al4SiC4纤维及其制备工艺,一种高性能的Al4SiC4纤维,由以下重量百分比的原料制成:65%‑80%的铝钒土和20%‑35%的硅石。本发明一种高性能的Al4SiC4纤维的制备工艺原料资源丰富、生产成本低以及易于工业化生产,克服了目前Al4SiC4纤维工业化制备难度大、成本高的缺陷,实现了Al4SiC4纤维的规模化、工业化生产,利用本发明所述工艺制备的高性能的Al4SiC4纤维性能优异,具有非常高的抗扭抗拉伸性能,可广泛的应用于航空、航天、汽车、轨道交通、航海及海洋工程等领域。
Description
技术领域
本发明属于纤维制备技术领域,尤其涉及一种高性能的Al4SiC4纤维及其制备工艺。
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材料。目前国内外合成Al4SiC4材料主要是以固相反应烧结法,热压烧结法,高温自蔓延法,渗透法和机械合金化法为主。虽然合成的方法很多,但Al4SiC4纤维的工业化制备难度大、成本高,目前关于制备Al4SiC4纤维的研究尚未广泛开展。
发明内容
鉴于此,本发明的目的在于,提供一种高性能的Al4SiC4纤维及其制备工艺,克服目前Al4SiC4纤维工业化制备难度大、成本高的缺陷,实现了Al4SiC4纤维的规模化、工业化生产。
为了达到上述发明目的,进而采取的技术方案如下:
一种高性能的Al4SiC4纤维,由以下重量百分比的原料制成:65%-80%的铝钒土和20%-35%的硅石。
一种高性能的Al4SiC4纤维的制备工艺,包括以下步骤:
a)制型,将铝钒土和硅石按照重量百分比(65-80)%∶(20-35)%的比例混合后放入成型机中,控制制型粒度为30mm-50mm,压制成型后形成混合物A;
b)配料,按照混合物A与炭质还原剂重量比为1∶0.20-0.50将炭质还原剂加至该混合物中,混合后形成混合物B;
还包括以下步骤:
c)熔融还原,将混合物B放入熔融炉内,在氮气或氩气封闭隔氧的状态下,控制温度为1700℃-2200℃进行熔融,熔融后形成熔融液态物,流入保温容器中,然后由保温容器流嘴流出,所述熔融液态物在保温容器流嘴时的温度为1580℃-1700℃;
d)制纤维:利用氮气或氩气在封闭隔氧的状态下喷吹由保温容器流嘴流出的熔融液态物,制得高性能的纤维,此高性能的纤维的物相为Al4SiC4;整个制纤维过程在集纤室内进行,同时利用风环风机,采用百分之百的氮气或氩气对集纤室气体氛围进行保护,形成无氧的制纤维过程;
然后将成纤的纤维与未成纤的颗粒料分离,分离后的纤维由输送机送至收纳然后进行打包;分离后的颗粒料由雷蒙磨粉机磨成粉末后打包。
较佳的,在所述步骤d)制纤维中,成纤率达90%以上。
较佳的,在所述步骤c)熔融还原中,所述熔融炉内温度低于1400℃时为氧化性气氛,温度高于1500℃时完全为还原性气氛。
较佳的,所述炭质还原剂由焦炭和炭以任意比例混合而成,或者由焦炭和木炭以任意比例混合而成。
较佳的,所述熔融炉为超高温热解气化还原熔融炉。
本发明的有益效果是:本发明提供了一种高性能的Al4SiC4纤维及其制备工艺,本发明原料资源丰富、生产成本低以及易于工业化生产,克服了目前Al4SiC4纤维工业化制备难度大、成本高的缺陷,实现了Al4SiC4纤维的规模化、工业化生产。本发明在超高温热解还原熔融气氛下进行熔融,在全封闭的氮气或氩气保护氛围下制得纤维,成纤率高,达到90%以上。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,利用本发明所述制备工艺制备的Al4SiC4纤维性能优异,可广泛的应用于航空、航天、汽车、轨道交通、航海及海洋工程等领域。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明的工艺流程图;
图2为本发明实施例的工艺示意图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本申请保护的范围。
铝钒土的主要化学成分为Al2O3,硅石的主要化学成分为SiO2。本发明为铝钒土、硅石以及炭质还原剂形成的原料混合物在熔融炉内进行熔融还原,在1700℃-2200℃为还原熔融气氛过程,原料混合物进行晶相的转变。在熔融炉内温度为800℃-1000℃时,铝钒土和硅石减去烧失量;熔融炉内温度为1700℃时,原料混合物的大部分晶相发生变化形成熔融液态物;温度到1830℃以上时,熔融液态物的主要物相为Al4SiC4、SiC、C和Al4O4;温度高于1850℃时,Al4O4消失,出现Al4Si2C5;温度达到1920℃时,熔融液态物的主要物相为Al4SiC4、Al4Si2C5,温度达到1950℃-2100℃时,熔融液态物的物相为Al4SiC4。熔融液态物在熔融炉内下降流入保温容器中,然后由保温容器流嘴流出,熔融液态物在保温容器流嘴的温度为1580℃-1700℃,流出的熔融液态物在全封闭无氧的条件下制成纤维。
本发明所述一种高性能的Al4SiC4纤维的制备工艺原料资源丰富、生产成本低以及易于工业化生产,克服了目前Al4SiC4纤维工业化制备难度大、成本高的缺陷,实现了Al4SiC4纤维的规模化、工业化生产。本发明成纤率高达90%以上。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,利用本发明所述制备工艺制备的Al4SiC4纤维性能优异,可广泛的应用于航空、航天、汽车、轨道交通、航海及海洋工程等领域。
实施例1:
a)制型,将铝钒土和硅石按照重量百分比65%∶20%的比例混合后放入成型机中,控制制型粒度为30mm-50mm,压制成型后形成混合物A;
b)配料,按照混合物A与炭质还原剂重量比为1∶0.20将炭质还原剂加至该混合物中,混合后形成混合物B,所述炭质还原剂为焦炭和炭以重量比为1∶1.5的比例混合而成。
如图1-2所示,还包括以下步骤:
c)熔融还原,将混合物B放入熔融炉1内,在氮气或氩气封闭隔氧的状态下,控制温度为1700℃-2200℃进行熔融,熔融后形成熔融液态物,流入保温容器2中,然后由保温容器流嘴7流出,所述熔融液态物在保温容器流嘴7时的温度为1700℃;所述熔融炉1内温度低于1400℃时为氧化性气氛,温度高于1500℃时完全为还原性气氛。
d)制纤维:利用氮气或氩气在封闭隔氧的状态下喷吹由保温容器流嘴7流出的熔融液态物,制得高性能的纤维,此高性能的纤维的物相为Al4SiC4;
整个制纤维过程在集纤室4内进行,利用喷吹装置3将氮气或者氩气喷向由保温容器流嘴7流出的熔融液态物,喷吹角度为90°,控制气流大小为0.3MPa,通过气流与熔融液态物接触,形成凸起拉丝过程从而制得纤维,同时利用风环风机6,采用百分之百的氮气或氩气对集纤室4气体氛围进行保护,形成无氧的制纤维过程,成纤率达90%以上;
然后将成纤的纤维与未成纤的颗粒料分离,分离后的纤维由输送机8送至收纳,然后进行打包;分离后的颗粒料由雷蒙磨粉机5磨成粉末后打包。
实施例2:
a)制型,将铝钒土和硅石按照重量百分比80%∶35%的比例混合后放入成型机中,控制制型粒度为30mm-50mm,压制成型后形成混合物A;
b)配料,按照混合物A与炭质还原剂重量比为1∶0.35将炭质还原剂加至该混合物中,混合后形成混合物B,所述炭质还原剂为焦炭和木炭以重量比为1∶2的比例混合而成。
如图1-2所示,还包括以下步骤:
c)熔融还原,将混合物B放入熔融炉1内,在氮气或氩气封闭隔氧的状态下,控制温度为1700℃-2200℃进行熔融,熔融后形成熔融液态物,流入保温容器2中,然后由保温容器流嘴7流出,所述熔融液态物在保温容器流嘴7时的温度为1580℃;所述熔融炉1内温度低于1400℃时为氧化性气氛,温度高于1500℃时完全为还原性气氛。
d)制纤维:利用氮气或氩气在封闭隔氧的状态下喷吹由保温容器流嘴7流出的熔融液态物,制得高性能的纤维,此高性能的纤维的物相为Al4SiC4;
整个制纤维过程在集纤室4内进行,利用喷吹装置3将氮气或者氩气喷向由保温容器流嘴7流出的熔融液态物,喷吹角度为90°,控制气流大小为0.5MPa,通过气流与熔融液态物接触,形成凸起拉丝过程从而制得纤维,同时利用风环风机6,采用百分之百的氮气或氩气对集纤室4气体氛围进行保护,形成无氧的制纤维过程,成纤率达90%以上;
然后将成纤的纤维与未成纤的颗粒料分离,分离后的纤维由输送机8送至收纳,然后进行打包;分离后的颗粒料由雷蒙磨粉机5磨成粉末后打包。
实施例3:
a)制型,将铝钒土和硅石按照重量百分比70%∶28%的比例混合后放入成型机中,控制制型粒度为30mm-50mm,压制成型后形成混合物A;
b)配料,按照混合物A与炭质还原剂重量比为1∶0.50将炭质还原剂加至该混合物中,混合后形成混合物B,所述炭质还原剂由焦炭和炭以重量比为3∶2.2的比例混合而成。
如图1-2所示,还包括以下步骤:
c)熔融还原,将混合物B放入超高温热解气化还原熔融炉内,在氮气或氩气封闭隔氧的状态下,控制温度为1700℃-2100℃进行熔融,熔融后形成熔融液态物,流入保温容器2中,然后由保温容器流嘴7流出,所述熔融液态物在保温容器流嘴7时的温度为1600℃;所述超高温热解气化还原熔融炉内温度低于1400℃时为氧化性气氛,温度高于1500℃时完全为还原性气氛。
d)制纤维:利用氮气或氩气在封闭隔氧的状态下喷吹由保温容器流嘴7流出的熔融液态物,制得高性能的纤维,此高性能的纤维的物相为Al4SiC4;
整个制纤维过程在集纤室4内进行,利用喷吹装置3将氮气或者氩气喷向由保温容器流嘴7流出的熔融液态物,喷吹角度为90°,控制气流大小为0.4MPa,通过气流与熔融液态物接触,形成凸起拉丝过程从而制得纤维,同时利用风环风机6,采用百分之百的氮气或氩气对集纤室4气体氛围进行保护,形成无氧的制纤维过程,成纤率达90%以上;
然后将成纤的纤维与未成纤的颗粒料分离,分离后的纤维由输送机8送至收纳,然后进行打包;分离后的颗粒料由雷蒙磨粉机5磨成粉末后打包。
用该方法制备的高性能的Al4SiC4纤维性能参数如表1所示:
表1 性能参数
本发明克服了目前Al4SiC4纤维工业化制备难度大、成本高的缺陷,实现了Al4SiC4纤维的规模化、工业化生产。利用本发明所述制备工艺制备的高性能的Al4SiC4纤维性能优异,具有非常高的抗扭抗拉伸性能,可广泛的应用于航空、航天、汽车、轨道交通、航海及海洋工程等领域。
本发明通过改变喷吹装置3喷吹气流的大小可制得不同的Al4SiC4材料,控制喷吹气流大小为0.3-0.5MPa时可制得纤维;继续增大喷吹气流,当喷吹气流大于0.5MPa时可将熔融液态物制成Al4SiC4颗粒料;也可直接由保温容器流嘴7流出不经喷吹直接得到Al4SiC4浇筑材料,在具体实施时可根据需求进行选择,以上所述均可通过本发明推理得到,均应包含在本发明的保护范围之内。
所述成型机、保温容器、风环风机、输送机以及雷蒙磨粉机为本领域技术人员所常用的成型机、保温容器、风环风机、输送机以及雷蒙磨粉机。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进或组合等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高性能的Al4SiC4纤维,其特征在于,由以下重量百分比的原料制成:65%-80%的铝钒土和20%-35%的硅石。
2.一种高性能的Al4SiC4纤维的制备工艺,包括以下步骤:
a)制型,将铝钒土和硅石按照重量百分比(65-80)%∶(20-35)%的比例混合后放入成型机中,控制制型粒度为30mm-50mm,压制成型后形成混合物A;
b)配料,按照混合物A与炭质还原剂重量比为1∶0.20-0.50将炭质还原剂加至该混合物中,混合后形成混合物B;
其特征在于,还包括以下步骤:
c)熔融还原,将混合物B放入熔融炉内,在氮气或氩气封闭隔氧的状态下,控制温度为1700℃-2200℃进行熔融,熔融后形成熔融液态物,流入保温容器中,然后由保温容器流嘴流出,所述熔融液态物在保温容器流嘴时的温度为1580℃-1700℃;
d)制纤维:利用氮气或氩气在封闭隔氧的状态下喷吹由保温容器流嘴流出的熔融液态物,制得高性能的纤维,此高性能的纤维的物相为Al4SiC4。
3.根据权利要求2所述的一种高性能的Al4SiC4纤维的制备工艺,其特征在于:在所述步骤c)熔融还原中,所述熔融炉内温度低于1400℃时为氧化性气氛,温度高于1500℃时完全为还原性气氛。
4.根据权利要求2所述的一种高性能的Al4SiC4纤维的制备工艺,其特征在于:所述炭质还原剂由焦炭和炭以任意比例混合而成,或者由焦炭和木炭以任意比例混合而成。
5.根据权利要求2所述的一种高性能的Al4SiC4纤维的制备工艺,其特征在于:所述熔融炉为超高温热解气化还原熔融炉。
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