RU2261848C2 - Method for preparing beta-sialone powder - Google Patents

Method for preparing beta-sialone powder Download PDF

Info

Publication number
RU2261848C2
RU2261848C2 RU2003115471/03A RU2003115471A RU2261848C2 RU 2261848 C2 RU2261848 C2 RU 2261848C2 RU 2003115471/03 A RU2003115471/03 A RU 2003115471/03A RU 2003115471 A RU2003115471 A RU 2003115471A RU 2261848 C2 RU2261848 C2 RU 2261848C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sialon
powder
particle size
sialone
charge
Prior art date
Application number
RU2003115471/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003115471A (en
Inventor
Н.В. Долгушев (RU)
Н.В. Долгушев
Original Assignee
ООО "Пелар"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ООО "Пелар" filed Critical ООО "Пелар"
Priority to RU2003115471/03A priority Critical patent/RU2261848C2/en
Publication of RU2003115471A publication Critical patent/RU2003115471A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2261848C2 publication Critical patent/RU2261848C2/en

Links

Abstract

FIELD: chemical technology.
SUBSTANCE: method for preparing β-sialone powder by carbothermal reduction of kaolin involves thermal treatment of charge in nitrogen atmosphere at 1710-1780°C for 5-25 min. Charge comprises a carbon component with particles size 20-500 nm. An average size of particles of prepared β-sialone powder can be regulated by using the disperse carbon component of charge with the required size of particles. Invention provides the development of rapid and simple in realization method for preparing β-sialone powder providing preparing β-sialone with the required size of particles.
EFFECT: improved preparing method.
2 cl, 3 ex

Description

Изобретение относится к получению сиалоновых материалов и композиций, применяемых в различных областях науки и техники.The invention relates to the production of sialon materials and compositions used in various fields of science and technology.

Известен способ [1] получения высокопористого сиалонового материала с использованием в качестве исходной шихты глинистого и углеродного компонентов при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%: глинистый компонент - 76-82, углеродный компонент - 18-24. При этом в качестве глинистого компонента берут каолин, в качестве углеродного - графит. Способ включает формование брикета методом прессования смеси при давлении 25-100 МПа и последующий его отжиг в атмосфере азота при 1400-1450°С в течение 3-4 ч.The known method [1] for producing highly porous sialonic material using clay and carbon components as the initial mixture in the following ratio of components in the mixture, wt.%: Clay component - 76-82, carbon component - 18-24. In this case, kaolin is taken as a clay component, and graphite as a carbon component. The method includes forming a briquette by pressing the mixture at a pressure of 25-100 MPa and then annealing it in a nitrogen atmosphere at 1400-1450 ° C for 3-4 hours.

Недостатком известного способа является большое (более 3 часов) время высокотемпературного обжига.The disadvantage of this method is the large (more than 3 hours) time of high-temperature firing.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ [2] получения β-сиалона (Si6-zAlzN8-zOz, z=2,7-4,0) из минерального сырья, в частности из муллитообразующей породы (каолина), путем его карботермического восстановления при температуре 1300-1500°С в течение 0,5-6 часов в атмосфере азота. Способ предполагает предварительную термообработку исходной муллитообразующей породы в присутствии щелочи для удаления аморфного оксида кремния и получения активной к карботермическому азотированию шихты с удельной поверхностью алюмосиликатного компонента более 50 м2/г.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed technical solution is a method [2] for producing β-sialon (Si 6-z Al z N 8-z O z , z = 2.7-4.0) from mineral raw materials, in particular from a mullite-forming rock (kaolin), by means of its carbothermic reduction at a temperature of 1300-1500 ° C for 0.5-6 hours in a nitrogen atmosphere. The method involves preliminary heat treatment of the initial mullite-forming rock in the presence of alkali to remove amorphous silicon oxide and obtain a mixture that is active with carbothermic nitriding with a specific surface of the aluminosilicate component of more than 50 m 2 / g.

Недостатками известного способа являются (1) сложность и длительность технологического процесса, обусловленные наличием сложных операций предварительной подготовки муллитообразующей породы, а также (2) большой разброс в размерах частиц получаемого порошка β-сиалона.The disadvantages of this method are (1) the complexity and duration of the process due to the presence of complex operations of preliminary preparation of mullite-forming rocks, as well as (2) a large dispersion in particle sizes of the obtained β-sialon powder.

Предлагаемым изобретением решается задача создания более скоростного и простого в реализации способа получения порошка β-сиалона, позволяющего, кроме того, получать порошок β-сиалон с заданным размером частиц.The present invention solves the problem of creating a faster and easier to implement method for producing β-sialon powder, which allows, in addition, to obtain β-sialon powder with a given particle size.

Поставленная задача решается тем, что при получении порошка β-сиалона путем карботермического восстановления каолина в атмосфере азота используют шихту, содержащую углеродный компонент с размером частиц 20-500 нм, а ее термообработку проводят при температуре 1710-1780°С в течение 5-25 мин.The problem is solved in that when obtaining β-sialon powder by carbothermal reduction of kaolin in a nitrogen atmosphere, a charge containing a carbon component with a particle size of 20-500 nm is used, and its heat treatment is carried out at a temperature of 1710-1780 ° C for 5-25 minutes .

При этом может быть использована шихта с заданным размером частиц углеродного компонента, определяемым исходя из соотношенияIn this case, a charge can be used with a given particle size of the carbon component, determined on the basis of the ratio

Dc=DSIALON/1,93,D c = D SIALON / 1.93,

где Dc - средний размер частиц вводимого в шихту углеродного компонента,where D c is the average particle size of the carbon component introduced into the charge,

DSIALON - средний размер частиц получаемого порошка β-сиалона.D SIALON is the average particle size of the resulting β-sialon powder.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение преобразования твердого алюмосиликатного компонента шихты в газообразное состояние и соответственно ускорение его реакции с твердым углеродным компонентом и газообразным азотом.The technical result of the invention is the conversion of a solid aluminosilicate component of the charge into a gaseous state and, accordingly, accelerating its reaction with a solid carbon component and gaseous nitrogen.

Технический результат достигается выбором температурного и временного режима проведения карботермического восстановления каолина в атмосфере азота. При температуре 1710-1780°С продукт термического разложения каолина (алюмосиликатного компонента) восстанавливается до газообразных оксидов Al2O и SiO, после чего он быстро (в течение нескольких минут) вместе с азотом взаимодействует с частицами углеродного компонента таким образом, что частица углеродного компонента трансформируется в частицу β-сиалона. Перевод алюмосиликатных компонентов в газовую фазу позволяет увеличить скорость проведения реакции образования β-сиалона. Участие углеродного компонента в качестве субстрата при образовании β-сиалона при взаимодействии с газообразными азотом, Al2O и SiO позволяет регулировать размер частиц получаемого β-сиалона посредством использования дисперсного углеродного компонента с заданным размером частиц.The technical result is achieved by choosing the temperature and time regime of carbothermal reduction of kaolin in a nitrogen atmosphere. At a temperature of 1710-1780 ° C, the thermal decomposition product of kaolin (aluminosilicate component) is reduced to gaseous oxides Al 2 O and SiO, after which it quickly (within several minutes) interacts with the particles of the carbon component together with nitrogen so that the particle of the carbon component transforms into a particle of β-sialon. The transfer of aluminosilicate components into the gas phase makes it possible to increase the rate of the β-sialon formation reaction. The participation of the carbon component as a substrate in the formation of β-sialon in the interaction with gaseous nitrogen, Al 2 O and SiO allows you to control the particle size of the resulting β-sialon by using a dispersed carbon component with a given particle size.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Исходным компонентом для получения β-сиалона служит каолин (Al2O3·2SiO2·2H2O) и углеродный компонент, в качестве которого может быть использована печная сажа. Шихту готовят одним из известных способов. Например, каолин (70-80 мас.%) и печную сажу (20-30 мас.%) смешивают в присутствии воды при влажности 60-70% в лопастной мешалке в течение 15-40 мин. Полученную суспензию сушат при температуре 110-120°С. Высушенную смесь (шихту) в графитовом тигле помещают в проточную печь с графитовым нагревателем. Через рабочий объем печи организуют ток азота с расходом 1-5 л/мин. Печь разогревают до температуры 1710-1780°С со скоростью 50-100°/мин и выдерживают при этой температуре в течение 5-25 мин. Охлаждение проводят вместе с печью до комнатной температуры. Продукт извлекают из графитового тигля, тщательно перетирают и проводят аттестацию продукта с использованием рентгенофазового, электронно-микроскопического и химического анализов.The proposed method is as follows. The starting component for the preparation of β-sialon is kaolin (Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O) and a carbon component, which can be used as furnace soot. The mixture is prepared in one of the known ways. For example, kaolin (70-80 wt.%) And furnace black (20-30 wt.%) Are mixed in the presence of water at a moisture content of 60-70% in a paddle mixer for 15-40 minutes. The resulting suspension is dried at a temperature of 110-120 ° C. The dried mixture (charge) in a graphite crucible is placed in a flow furnace with a graphite heater. A flow of nitrogen is organized through the working volume of the furnace at a flow rate of 1-5 l / min. The furnace is heated to a temperature of 1710-1780 ° C at a speed of 50-100 ° / min and maintained at this temperature for 5-25 minutes. Cooling is carried out together with the oven to room temperature. The product is removed from the graphite crucible, frayed thoroughly and product certification is carried out using x-ray phase, electron microscopy and chemical analyzes.

Предлагаемый способ с получением частиц β-сиалона с определенным размером иллюстрируется следующими примерами.The proposed method for producing particles of β-sialon with a certain size is illustrated by the following examples.

Пример 1. Берут 16 г (80 мас.%) просяновского каолина и 4 г (20 мас.%) углерода в виде сажи ПМ-75 (средний размер частиц углерода - 40 нм). Компоненты тщательно перемешивают в присутствии воды (влажность 65%), сушат до постоянной массы и в графитовом тигле помещают в проточную печь с графитовым нагревателем. Расход азота через рабочий объем печи - 1 л/мин. Разогрев печи осуществляют со скоростью 50°С/мин. до 1710°С. Тигель со смесью выдерживают при этой температуре 5 мин в токе азота. Тигель охлаждают до комнатной температуры вместе с печью. По данным химического и рентгенофазового анализов полученный продукт является β-сиалоном общей формулы Si3Al3O3N5, примеси - SiC, AlN. Выход - 87%. По данным растровой электронной микроскопии средний размер частиц полученного порошка - 110 нм.Example 1. Take 16 g (80 wt.%) Of Prosyanovsky kaolin and 4 g (20 wt.%) Of carbon in the form of soot PM-75 (average carbon particle size - 40 nm). The components are thoroughly mixed in the presence of water (humidity 65%), dried to constant weight and placed in a graphite crucible in a flow furnace with a graphite heater. The nitrogen flow through the working volume of the furnace is 1 l / min. The furnace is heated at a rate of 50 ° C / min. up to 1710 ° C. The crucible with the mixture is kept at this temperature for 5 minutes in a stream of nitrogen. The crucible is cooled to room temperature with the oven. According to chemical and x-ray phase analyzes, the resulting product is a β-sialon of the general formula Si 3 Al 3 O 3 N 5 , and the impurities are SiC, AlN. The yield is 87%. According to scanning electron microscopy, the average particle size of the obtained powder is 110 nm.

Пример 2. Берут 35 г (70 мас.%) кыштымского каолина и 15 г (30 мас.%) углерода в виде сажи ПМ-100 (средний размер частиц углерода - 30 нм). Компоненты тщательно перемешивают в присутствии воды (влажность 70%), сушат до постоянной массы и в графитовом тигле помещают в проточную печь с графитовым нагревателем. Расход азота через рабочий объем печи - 5 л/мин. Разогрев печи осуществляют со скоростью 70°С/мин до 1780°С. Тигель со смесью выдерживают при этой температуре 25 мин в токе азота. Тигель охлаждают до комнатной температуры вместе с печью. По данным химического и рентгенофазового анализов полученный продукт является β-сиалоном общей формулы Si3Al3О3N5, примеси - SiC, AlN. Выход - 86%. По данным растровой электронной микроскопии средний размер частиц полученного порошка - 76 нм.Example 2. Take 35 g (70 wt.%) Kyshtym kaolin and 15 g (30 wt.%) Carbon in the form of soot PM-100 (average carbon particle size - 30 nm). The components are thoroughly mixed in the presence of water (humidity 70%), dried to constant weight and placed in a graphite crucible in a flow furnace with a graphite heater. The consumption of nitrogen through the working volume of the furnace is 5 l / min. The furnace is heated at a rate of 70 ° C / min to 1780 ° C. The crucible with the mixture is kept at this temperature for 25 minutes in a stream of nitrogen. The crucible is cooled to room temperature with the oven. According to chemical and x-ray phase analysis, the resulting product is a β-sialon of the general formula Si 3 Al 3 О 3 N 5 , impurities - SiC, AlN. The yield is 86%. According to scanning electron microscopy, the average particle size of the obtained powder is 76 nm.

Пример 3. Берут 30 г (75 мас.%) глуховецкого каолина и 11,25 г (25 мас.%) углерода в виде сажи ПМ-150 (средний размер частиц углерода - 20 нм). Компоненты тщательно перемешивают в присутствии воды (влажность 60%), сушат до постоянной массы и в графитовом тигле помещают в проточную печь с графитовым нагревателем. Расход азота через рабочий объем печи - 3 л/мин. Разогрев печи осуществляют со скоростью 100°С/мин до 1750°С. Тигель со смесью выдерживают при этой температуре 15 мин в токе азота. Тигель охлаждают до комнатной температуры вместе с печью. По данным химического и рентгенофазового анализов полученный продукт является β-сиалоном общей формулы Si3Al3О3N5, примеси - SiC, AlN. Выход - 85%. По данным растровой электронной микроскопии средний размер частиц полученного порошка - 65 нм.Example 3. Take 30 g (75 wt.%) Glukhovetsky kaolin and 11.25 g (25 wt.%) Carbon in the form of soot PM-150 (average carbon particle size - 20 nm). The components are thoroughly mixed in the presence of water (humidity 60%), dried to constant weight and placed in a graphite crucible in a flow furnace with a graphite heater. The nitrogen flow through the working volume of the furnace is 3 l / min. The heating of the furnace is carried out at a speed of 100 ° C / min to 1750 ° C. The crucible with the mixture is kept at this temperature for 15 minutes in a stream of nitrogen. The crucible is cooled to room temperature with the oven. According to chemical and x-ray phase analysis, the resulting product is a β-sialon of the general formula Si 3 Al 3 О 3 N 5 , impurities - SiC, AlN. The yield is 85%. According to scanning electron microscopy, the average particle size of the obtained powder is 65 nm.

Выбор параметров осуществления заявляемого способа обусловлен следующим.The choice of parameters for the implementation of the proposed method is due to the following.

При содержании углерода в исходной шихте менее 20 мас.% получаемый материал в качестве примеси содержит корунд. При содержании углерода в исходной шихте более 30 мас.% получаемый материал содержит более 18 мас.% SiC.When the carbon content in the initial charge is less than 20 wt.%, The resulting material contains corundum as an impurity. When the carbon content in the initial charge is more than 30 wt.%, The resulting material contains more than 18 wt.% SiC.

При уменьшении времени смешивания каолина и углерода менее 15 мин не происходит необходимое для достижения технического результата пространственное сопряжение частиц каолина и углеродного компонента в смеси.When the mixing time of kaolin and carbon is reduced to less than 15 minutes, the spatial conjugation of the particles of kaolin and the carbon component in the mixture necessary to achieve a technical result does not occur.

При расходе азота, пропускаемого через рабочую зону печи, менее 1 л/мин его количества недостаточно для протекания реакции карботермического азотирования.When the flow rate of nitrogen passed through the working zone of the furnace is less than 1 l / min, its quantity is insufficient for the carbothermic nitriding reaction to occur.

При разогреве печи до температуры термообработки со скоростью менее 50°/мин реакционная смесь длительное время находится при температуре <1500°С, при которой происходят процессы муллитизации каолина, что препятствует достижению технического результата и приводит к уменьшению содержания β-сиалона в продукте синтеза.When the furnace is heated to a heat treatment temperature at a rate of less than 50 ° / min, the reaction mixture is at a temperature <1500 ° C for a long time, at which kaolin mullitization occurs, which impedes the achievement of a technical result and leads to a decrease in the content of β-sialon in the synthesis product.

Недостаточное время (менее 5 мин) термообработки реакционной смеси при температуре синтеза приводит к неполному протеканию химических реакций, и, как следствие, к загрязнению продукта углеродом. Термообработка свыше 25 мин приводит к спеканию (увеличению размеров частиц) продукта реакции и, следовательно, препятствует регулированию размера частиц получаемого β-сиалона.Insufficient time (less than 5 min) for heat treatment of the reaction mixture at the synthesis temperature leads to incomplete chemical reactions and, as a result, to carbon contamination of the product. Heat treatment for more than 25 min leads to sintering (increase in particle size) of the reaction product and, therefore, prevents the regulation of the particle size of the resulting β-sialon.

Уменьшение размера частиц углерода менее 20 нм приводит к тому, что в результате синтеза получается порошок β-сиалона с размером частиц менее верхней границы области критических размеров β-сиалона (D+SIALON=40-60 нм), что обуславливает его высокую активность к спеканию и, следовательно, препятствует регулированию размера частиц получаемого β-сиалона. Увеличение размера частиц углерода более 500 нм уменьшению скорости образования β-сиалона.A decrease in the carbon particle size of less than 20 nm leads to the fact that the synthesis results in β-sialon powder with a particle size less than the upper boundary of the region of critical sizes of β-sialon (D + SIALON = 40-60 nm), which causes its high sintering activity and, therefore, prevents the regulation of the particle size of the resulting β-sialon. An increase in carbon particle size of more than 500 nm reduces the rate of formation of β-sialon.

Таким образом, предлагаемый способ получения β-сиалона позволяет не только уменьшить время синтеза β-сиалона, но и регулировать размер частиц порошка β-сиалона простым технологическим способом, исключающим ряд дополнительных операций.Thus, the proposed method for producing β-sialon allows not only to reduce the synthesis time of β-sialon, but also to control the particle size of the β-sialon powder in a simple technological way, eliminating a number of additional operations.

Использованные источники информации:Sources of information used:

1. Пат. RU 2191759, Анциферов В.Н., Гилев В.Г. Способ получения пористого материала, МПК С 04 В 35/599, 1999.10.26.1. Pat. RU 2191759, Antsiferov V.N., Gilev V.G. A method of obtaining a porous material, IPC C 04 V 35/599, 1999.10.26.

2. Pat. EP 0289440, Moya Corral Jose S., De Aza Pendas Salvador, Morales Poyato Francisco, Valle Fuentes Francisco J., Osendi Miranda Isabel, Martinez Caceres Rafael, Corral Martinez Ma Paz, A method for the production of beta'-sialon based ceramic powders, IPC C 01 B 21/082, C 04 B 35/58, 1988.11.02.2. Pat. EP 0289440, Moya Corral Jose S., De Aza Pendas Salvador, Morales Poyato Francisco, Valle Fuentes Francisco J., Osendi Miranda Isabel, Martinez Caceres Rafael, Corral Martinez Ma Paz, A method for the production of beta'-sialon based ceramic powders , IPC C 01 B 21/082, C 04 B 35/58, 1988.11.02.

Claims (2)

1. Способ получения порошка β-сиалона путем карботермического восстановления каолина в атмосфере азота, отличающийся тем, что шихта содержит углеродный компонент с размером частиц 20-500 нм, а ее термообработку проводят при температуре 1710-1780°С в течение 5-25 мин.1. The method of producing β-sialon powder by carbothermal reduction of kaolin in a nitrogen atmosphere, characterized in that the mixture contains a carbon component with a particle size of 20-500 nm, and its heat treatment is carried out at a temperature of 1710-1780 ° C for 5-25 minutes 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют шихту с заданным размером частиц углеродного компонента, определяемым, исходя из соотношения2. The method according to claim 1, characterized in that the charge is used with a given particle size of the carbon component, determined based on the ratio DC=DSIALON/1,93, гдеD C = D SIALON / 1.93, where DC - средний размер частиц вводимого в шихту углеродного компонента;D C is the average particle size of the carbon component introduced into the charge; DSIALON - средний размер частиц получаемого порошка β-сиалона.D SIALON is the average particle size of the resulting β-sialon powder.
RU2003115471/03A 2003-05-20 2003-05-20 Method for preparing beta-sialone powder RU2261848C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003115471/03A RU2261848C2 (en) 2003-05-20 2003-05-20 Method for preparing beta-sialone powder

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003115471/03A RU2261848C2 (en) 2003-05-20 2003-05-20 Method for preparing beta-sialone powder

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003115471A RU2003115471A (en) 2004-12-10
RU2261848C2 true RU2261848C2 (en) 2005-10-10

Family

ID=35851395

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003115471/03A RU2261848C2 (en) 2003-05-20 2003-05-20 Method for preparing beta-sialone powder

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2261848C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1435371A (en) Method for preparing aluminium nitride powder
US4499193A (en) Process for producing beta&#39;-silicon aluminum oxynitride (B&#39;-SiAlON) using discrete particles
JPS61151006A (en) Production of aluminum nitride powder
GB2040902A (en) High purity silicon nitride and its production
US4619905A (en) Process for the synthesis of silicon nitride
CN101445223A (en) Method for preparing low-oxygen high-alpha phase silicon nitride powder by auto-igniting synthesis
CN106542829A (en) A kind of preparation and application of silicon carbide whisker/silicon-carbide particle composite granule
CN108996483B (en) Method for synthesizing silicon nitride powder by combustion
RU2261848C2 (en) Method for preparing beta-sialone powder
Zeng et al. Combustion synthesis of Sialon Powders (Si6‐zAlzOzN8‐z, z= 0.3, 0.6)
EP0188038A1 (en) Process for producing silicon aluminum oxynitride
JPH03261611A (en) Production of silicon nitride composite powder
CN105967156B (en) A kind of dedicated h-BN powders of synthesis c-BN and preparation method thereof
RU2490232C1 (en) METHOD OF OBTAINING FIRE-PROOF MATERIAL BASED ON SILICON BETA-NITRIDE β-Si3N4
AU2021100590A4 (en) Method for preparing high-purity aluminum nitride through auto-catalysis
RU2266865C1 (en) Method of production of boron nitride of graphite-like hexagonal structure
JP2564804B2 (en) Method for manufacturing aluminum nitride
Panda et al. Carbothermal reduction of sillimanite
RU2421428C2 (en) Method of preparing ultrafine beta-sialon powder
CN114409414B (en) Method for preparing high-purity silicon nitride powder by taking high-oxygen-content silicon powder as raw material
JP2660199B2 (en) Method for producing β-sialon powder
JPS6259049B2 (en)
JPH0319163B2 (en)
JPS61295213A (en) Production of silicon nitride
JPH0416402B2 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060521

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060521

RZ4A Other changes in the information about an invention