CN1374274A - 用煤矸石制备β-赛隆结合碳化硅复相粉体的方法 - Google Patents

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Abstract

用煤矸石制备β-赛隆结合碳化硅复相粉体的方法,属材料技术领域。本发明选用煤矸石为原料,其中SiO2质量百分比为60%~70%,Al2O3质量百分比为10%~20%,碳含量5%~10%,用盐酸酸洗除铁,水洗至pH为中性。将煤矸石细粉与碳粉按100∶15-45的比例混合,加水湿磨,烘干。在氮气气氛下1400-1600℃烧结,保温后冷却,然后在600-800℃煅烧除去残余的碳,即得β-Sialon结合SiC复相粉料。本方法可以制备出纯度在90±5%的β-Sialon结合SiC粉料,且方法简单,原料来源广泛,价格低廉,有利于环境保护。

Description

用煤矸石制备β-赛隆结合碳化硅复相粉体的方法
技术领域
本发明涉及一种利用煤矸石制备β-赛隆(β-Sialon)结合碳化硅(SiC)的方法,属于新材料技术领域。
背景技术
β-Sialon陶瓷具有硬度高,耐磨性好,抗热震性好,耐腐蚀及化学稳定性高等特点。SiC陶瓷有高的硬度,良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性,具有高的热导率和较高的电导率,热稳定性好,高温强度高蠕变小,是一类良好的高温结构材料。β-Sialon结合SiC具有耐高温,抗氧化,荷重强度高等优点,此外与单相β-Sialon相比,具有更好的抗碱液腐蚀以及抗氧化能力,可显著提高材料在苛刻条件下的使用寿命。与单相SiC相比,具有更好的抗热震性和耐腐蚀性。
目前,β-Sialon结合SiC主要用于耐火材料的制作。烧结后,低热膨胀系数的β-Sialon将SiC包围起来,温度变化时,热应力不足以破坏材料中晶粒间的结合力,从而提高材料的抗热震性。利用β-Sialon高温下被氧化还原,在耐火材料的表面上生成一层致密的保护层,从而提高了材料的抗金属溶液腐蚀的能力。但是由于目前β-Sialon结合碳化硅陶瓷工艺复杂,成本高,限制了在工业上大规模的应用。
目前赛隆结合碳化硅耐火陶瓷材料的制备方法主要有:首先利用高岭土碳热还原制备出Sialon,然后再将筛分后的碳化硅与Sialon机械混合,最后通过固相反应制备块体材料(硅酸盐通报,1999,01,pp36-40)。将SiC粒子分散到Sialon陶瓷粉体中制备Sialon结合SiC(无机材料学报,1996,02,pp281-285;Materials Science and Engeering A 269:1999,pp:1-7)。此外还有利用SiC和AlSi在氮气下反应生成(Key Engineering Materials Vols.189-191,2001,pp.548-554),这些制备工艺对原料要求较高,制备工艺复杂,成本较高。也有利用廉价粘土原料及其它添加物一次反应合成以Sialon为基质相结合SiC特种耐火材料(申请专利号93102907.4);利用河沙制备赛隆结合化硅陶瓷粉体的方法(专利公开号00105941.6)的相关研究;国内外还有一些关于利用煤矸石制备SiC(硅酸盐通报,Vol29,Nb.01,2001,pp72-79)和β-Sialon(Materials Rearch Bullitin.Vol.32.No.10.pp1141-48,1997),SiC结合Al2O3(耐火材料,02,2000,pp207-209),但尚未见利用煤矸石炭热还原直接制备β-Sialon结合SiC的报道。
煤矸石是无机矿物和少量可燃有机物组成的混合物,主要成分为煤炭、硅质页岩、泥质页岩及砂岩等。作为煤炭开采、洗选加工过程中产生的固体废弃物,目前全国每年生产的煤矸石约1.4亿吨,累计堆存的煤矸石达300亿吨,占地12万公顷。煤矸石的堆积,不仅占用耕地,还增加了煤矿征地和运输的费用支出;煤矸石自燃时,排放的有害气体污染环境;雨淋时,矸石山的有害物随雨水流出或渗入地下水,污染农田和江河湖泊;矸石山崩塌时,危及人畜安全。煤矸石已成为固、液、气三害俱全的污染源,亟待治理。
发明内容
本发明的目的是提出一种用煤矸石制备β-赛隆结合碳化硅复相粉体的方法,使用煤矸石作为原料,可以降低原料成本,简化生产工艺,减少废渣占用耕地,减轻环境污染。
为实现上述目的,本发明提出的一种用煤矸石制备β-赛隆结合碳化硅复相粉体的方法,该方法以煤矸石为原料,以炭热还原直接制备β-赛隆结合SiC粉体,其特征在于:其制备方法依次包括以下步骤:
(1)选用煤矸石为原料,其中SiO2质量百分比为60%~70%,Al2O3质量百分比为10%~20%,碳质量百分比为5~10%,余量为杂质,磨细至5~20微米;
(2)用1-6摩尔/升盐酸酸洗上述细粉24~48小时,水洗除去盐酸至pH值6-7;
(3)将步骤(2)酸洗后的煤矸石细粉与碳粉以100∶15~45的比例在球磨罐内混合,并加水球磨24~56小时,抽滤,烘干;
(4)在流量为0.05~0.2升/分钟的氮气气氛下,以15~25℃/分钟速度升温至1400~1600℃,保温2~5小时,随炉冷却;
(5)将步骤(4)制备的粉料在600~800℃炉中保温3~5小时,除去残余的碳,即为β-赛隆结合碳化硅复相粉体。
使用本发明的方法可以得到纯度为90±5%、粒度约为0.5-5微米的β-Sialon结合SiC复相陶瓷粉体,而且方法简单,原料来源广泛,价格低廉,生产周期短,并有利于环境保护。
具体实施方式
实施例1:
本实施例采用中国山东省某处煤矸石,其成分如下表:
  成分   SiO2   Al2O3   Fe2O3   K2O   C   其它
  质量百分含量   60.4   19.7   5.0   3.1   9.7   2.1
a.煤矸石粉磨使粒径6±1微米,6摩尔/升盐酸浸泡24小时除铁,水洗至pH值约6;
b.将加入质量百分比为15%的碳粉的粉料置于球磨罐中,加水球磨,24小时,抽滤,烘干,研成细粉;
c.将烘干的粉料装入石墨坩埚中,以15℃/分钟的速率升至1600℃保温2小时,流动氮气(流量为0.05升/分钟)下烧结;
d.将样品在炉中800℃保温3小时脱除反应残余的碳。
反应产物中主要物相为SiC和β-Sialon,产率接近85%,其SiC/β-Sialon比为0.7。扫描电镜观察表明粉体形状不规则,粒度约为0.5-4微米。
实施例2:
本实施例采用中国山东省某处煤矸石,其成分如下表:
  成分   SiO2   Al2O3   Fe2O3   K2O   C   其它
质量百分含量% 65 14.7 5.4 7.2 5.0 5.3
a.煤矸石粉磨使粒径10±1微米,3摩尔/升盐酸酸洗32小时除铁,水洗至pH为6;
b.将加入质量百分比为45%的碳粉的粉料置于球磨罐中,湿法球磨混合48小时,烘干,研成细粉;
c.将粉料装入石墨坩埚中,20℃/分钟的速率1500℃保温3小时,氮气流量为0.1升/分钟下烧结;
d.将样品在炉中700℃保温4小时脱除反应残余的碳。
反应主要生成了β-Sialon及SiC,二者比值接近0.8,产物的纯度接近95%。电镜结果显示粉体形状不规则,粒度约为1-5微米。
实施例3:
本实施例采用中国山东省某处煤矸石,其成分如下表:
  成分   SiO2   Al2O3   Fe2O3   K2O    C   其它
质量百分含量%   69.3   10.2   6.2   4.9   6.3   2.9
a.煤矸石粉磨使粒径19±1微米,1摩尔/升盐酸酸洗48小时除铁,水洗至pH为7;
b.将加入质量百分比为30%的碳粉的粉料置于球磨罐中,湿法球磨混合56小时,抽滤,烘干,研成细粉;
c.将粉料装入石墨坩埚中,25℃/分钟的速率1400℃保温5小时,流动氮气(流量0.2升/分钟)下烧结;
d.将样品在炉中600℃保温5小时脱除反应残余的碳。
产物中β-Sialon结合SiC约占90%,其中SiC的百分含量约为35%。利用电镜观察发现粉体晶粒粉体形状不规则在2-5微米之间。

Claims (1)

1、一种用煤矸石制备β-赛隆结合碳化硅复相粉体的方法,该方法以煤矸石为原料,以碳热还原直接制备β-赛隆结合SiC粉体,其特征在于,其制备方法依次包括以下步骤:
(1)选用煤矸石为原料,其中SiO2质量百分比为60%~70%,Al2O3质量百分比为10%~20%,碳质量百分比为5~10%,余量为杂质,磨细至5~20微米;
(2)用1-6摩尔/升盐酸酸洗上述细粉24~48小时,水洗除去盐酸至pH值6-7;
(3)将步骤(2)酸洗后的煤矸石细粉与碳粉以100∶15~45的比例在球磨罐内混合,并加水球磨24~56小时,抽滤,烘干;
(4)在流量为0.05~0.2升/分钟的氮气气氛下,以15~25℃/分钟速度升温至1400~1600℃,保温2~5小时,随炉冷却;
(5)将步骤(4)制备的粉料在600~800℃炉中保温3~5小时,除去残余的碳,即为β-赛隆结合碳化硅复相粉体。
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