CN117945761A - 一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于二次资源综合利用制备陶瓷技术领域，具体涉及一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法。将碳化硼收尘废料浸没在无水乙醇及甲醇组成的混合溶液中超声搅拌处理，进行表面改性；将改性后的碳化硼收尘废料和分散剂配制为混合物，分散剂为柠檬酸钠、聚羧酸氨和PEG600的一种或几种；再进行均匀混料，将混好的物料干燥后置入模具在1800~2100℃进行热压烧结，压力为15~60 MPa得到碳化硼陶瓷材料。进一步地，混合物还包括添加剂，为Fe粉、BN粉的一种或两种。本发明实现了废弃资源的二次综合利用，变废为宝，经济性好，工艺简单可行，易于实现工业化生产，所得碳化硼陶瓷具有良好的综合力学性能，经济价值高。在我国国防和民生的普及起到一定的促进作用。
Description
技术领域
本发明属于二次资源综合利用制备陶瓷技术领域，具体涉及一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法。
背景技术
目前工业上采用硼酸和碳质还原剂在矿热炉中发生碳热还原反应制备碳化硼结晶块，之后对结晶块进行破碎研磨得到可应用的碳化硼粉体。破碎研磨过程会产生大量碳化硼粉尘，这些粉尘经布袋收尘成为碳化硼收尘废料，属于工业固废，其年产量较高，已然成为碳化硼行业不可忽视的固体废弃物。
碳化硼收尘废料是研磨破碎中收集的粉尘料，其粒度较细，晶型完整性差，表面氧化程度较重，杂质较多，难以直接回收利用，目前对碳化硼收尘废料回收利用的研究较少，现只是堆放处理，尚未被利用，造成资源浪费且污染环境，收尘废料的资源化再利用成为碳化硼行业及相关研究者亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明针对碳化硼收尘废料特性，将废料制备成为高价值陶瓷，既实现二次资源的提值再利用，创造极高的经济价值，又为高性能碳化硼陶瓷的低成本制备提供新的原料及可便于工业化的新工艺，对早日实现碳化硼陶瓷在我国国防和民生的普及起到一定的促进作用。碳化硼收尘废料主体为粒度较细的碳化硼粉，满足烧结的初步条件，但其杂质数量及种类较多，且分布不均匀，杂质中含有玻璃相，包裹在粉体表面，降低粉体活性，阻碍粉体的烧结，无法成功制备为陶瓷。本发明先对碳化硼收尘废料进行表面改性，活化粉体，之后配入适宜的分散剂将收尘废料中的杂质均匀分散，起到助烧作用，然后采用适宜的混料方式使粉体混合均匀，之后在相应烧结制度下烧结，成功制备为陶瓷材料。此外，配入适宜的添加剂进一步活化烧结，能够获得性能更加优异的陶瓷材料。
本发明的技术方案如下：
一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，采用碳化硼收尘废料为原料，包括如下步骤：
S1 对碳化硼收尘废料表面改性：将碳化硼收尘废料浸没在无水乙醇及甲醇组成的混合溶液中进行超声搅拌，烘干，得到改性后的碳化硼收尘废料；
S2 配料：将改性后的碳化硼收尘废料和分散剂配制为混合物；所述分散剂为柠檬酸钠、聚羧酸铵、PEG600的一种或几种；
S3 混料：将混合物进行球磨混合；
S4 热压烧结：将S3混好的物料干燥后置入模具，先在真空条件下以升温速率5~40℃/min升温至1550~1650℃，保温20~120 min，再继续升温至1800~2100℃进行热压烧结，当真空条件下温度升至1800~2100℃后，以3~20 MPa/s的速度加压至15~60 MPa，保温保压10~60 min。
所述碳化硼收尘废料为优级碳化硼冶炼块破碎及研磨制粉过程中被收尘装置回收的粉尘料。
优选S1中无水乙醇和甲醇的体积比为(60~98):(2~40)，碳化硼收尘废料与混合溶液的固液比为g/mL1:(3~10)。
优选S1中超声频率为45~60 Hz，搅拌速率为80~400 r/min，时间为0.5~4 h。
优选S2中改性后的碳化硼收尘废料与分散剂的质量比为(90~99):(0.1~5)。
优选S2中混合物还包括添加剂，所述添加剂为Fe粉和BN粉的一种或两种。
优选改性后的碳化硼收尘废料与添加剂的质量比(90~99):(1~7)。
优选所述Fe粉和BN粉的粒径为0.2~6 μm，纯度为99%~99.9%。
优选S3中球磨条件为，以无水乙醇为媒介，ZrO2或SiC球为混料球，在混料罐混合8~20 h，混料罐转速为100~500 r/min，球料质量比为(2~5):1，料与无水乙醇的液固之比mg/L为1:(1~5)。
优选S4中当真空条件下温度升至1800~2100℃后，以3~20 MPa/s的速度加压至15~60 MPa，保温保压10~60 min。
本发明有益效果：
所得碳化硼陶瓷具有较高的致密度和良好的综合力学性能，达到流通商品的性能；
实现了废弃资源的二次综合利用，变废为宝，经济价值高；
工艺简单可行，经济性好，易于实现工业化生产。
附图说明
图1是本发明制备方法的工艺流程图。
图2为碳化硼收尘废料的物相分析图。
具体实施方式
为了使本发明更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实例中断裂韧性的测试方法采用单边切口梁法，采用电子万能力学试验机。
本发明实例中抗弯强度的测试方法采用三点弯法，采用电子万能力学试验机。
本发明实例中使用的碳化硼收尘废料的物相分析图如图2所示。
实施例1
取碳化硼收尘废料9.9 g浸没在40 mL无水乙醇和甲醇混合溶液中进行超声搅拌处理，无水乙醇和甲醇的体积比为95:5，超声频率45 Hz，搅拌速率为100 r/min，时间为1h。表面改性处理后将料烘干，配入0.1 g聚羧酸铵分散剂，将配好的物料放置混料罐内，无水乙醇为混料媒介，料与无水乙醇的液固比为1:3 mg/L，ZrO2为混料球，球料比3:1，混料10h，转速为280 r/min，混好后将料取出烘干，后进行烧结，以20℃/min升温至1580℃，保温30min，继续升温至1980℃，以10 MPa/s速度加压至20 MPa，保温保压20 min，得到碳化硼陶瓷抗弯强度致密度为97%，硬度为31 GPa，抗弯强度380 MPa，断裂韧性4.1 MPa·m1/2。
实施例2
如图1所示，取碳化硼收尘废料9.8 g浸没在50 mL无水乙醇和甲醇混合溶液中进行超声搅拌处理，无水乙醇和甲醇的体积比为80:20，超声频率60 Hz，搅拌速率为200 r/min，时间为1.5 h。表面改性处理后将料烘干，配入0.1 g柠檬酸钠分散剂，0.1 g 0.2 μmBN粉，将配好的物料放置混料罐内，无水乙醇为混料媒介，料与无水乙醇的液固比为1:5mg/L，ZrO2为混料球，球料比4:1，混料15 h，转速为400 r/min，混好后将料取出烘干，后进行烧结，以40℃/min升温至1600℃，保温30 min，继续升温至2000℃，以20 MPa/s速度加压至30 MPa，保温保压30 min，得到碳化硼陶瓷抗弯强度致密度为98.5%，硬度为32 GPa，抗弯强度410 MPa，断裂韧性4.4 MPa·m1/2。
实施例3
如图1所示，取碳化硼收尘废料9.78 g浸没在60 mL无水乙醇和甲醇混合溶液中进行超声搅拌处理，无水乙醇和甲醇的体积比为70:30，超声频率45 Hz，搅拌速率为150 r/min，时间为1.5 h。表面改性处理后将料烘干，配入0.2 g柠檬酸钠分散剂，0.1 g 0.2 μmFe粉和0.1 g 0.2 μm BN粉，将配好的物料放置混料罐内，无水乙醇为混料媒介，料与无水乙醇的液固比为1:4 mg/L，ZrO2为混料球，球料比4:1，混料12 h，转速为320 r/min，混好后将料取出烘干，后进行烧结，以30℃/min升温至1600℃，保温30 min，继续升温至2020℃，以5 MPa/s速度加压至30 MPa，保温保压30 min，得到碳化硼陶瓷抗弯强度致密度为99%，硬度为33 GPa，抗弯强度430 MPa，断裂韧性4.7 MPa·m1/2。
Claims (10)
1.一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于：包括如下步骤；
S1 对碳化硼收尘废料表面改性：将碳化硼收尘废料浸没在无水乙醇及甲醇组成的混合溶液中进行超声搅拌，烘干得到改性后的碳化硼收尘废料；
S2 配料：将改性后的碳化硼收尘废料和分散剂配制为混合物；所述分散剂为柠檬酸钠、聚羧酸铵和PEG600的一种或几种；
S3 混料：将混合物进行球磨混合；
S4 热压烧结：将S3混好的物料干燥后置入模具，先在真空条件下以升温速率5~40℃/min升温至1550~1650℃，保温20~120 min，再继续升温至1800~2100℃进行热压烧结，压力为15~60 MPa。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于：所述碳化硼收尘废料为优级碳化硼冶炼块破碎及研磨制粉过程中被收尘装置回收的粉尘料。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于，S1中无水乙醇和甲醇的体积比为(60~98):(2~40)，碳化硼收尘废料与混合溶液的固液之比g/mL为1:(3~10)。
4. 根据权利要求1所述的一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于，S1中超声频率为45~60 Hz，搅拌速率为80~400 r/min，时间为0.5~4 h。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于，S2中改性后的碳化硼收尘废料与分散剂的质量比为(90~99):(0.1~5)。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于，S2中混合物还包括添加剂，所述添加剂为Fe粉和BN粉的一种或两种。
7.根据权利要求6所述的一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于，改性后的碳化硼收尘废料与添加剂的质量比(90~99):(1~7)。
8. 根据权利要求6所述的一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于，所述Fe粉和BN粉的粒径为0.2~6 μm，纯度为99%~99.9%。
9. 根据权利要求1所述的一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于，S3中球磨条件为，以无水乙醇为媒介，ZrO2或SiC球为混料球，在混料罐混合8~20 h，混料罐转速为100~500 r/min，球料质量比为(2~5):1，料与无水乙醇的液固之比mg/L为1:(1~5)。
10.根据权利要求1所述的一种碳化硼收尘废料制备陶瓷材料的方法，其特征在于，S4中当真空条件下温度升至1800~2100℃后，以3~20 MPa/s的速度加压至15~60 MPa，保温保压10~60 min。
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| GR01 | Patent grant |