一种Al₄SiC₄材料的合成方法

专利名称：一种Al₄SiC₄材料的合成方法
技术领域：
本发明属于陶瓷材料领域。具体涉及ー种耐火材料用Al4SiC4材料及其合成方法。
背景技术：
Al4SiC4具有高熔点、高化学稳定性、高強度、低热膨胀 系数以及非常优异的高温強度、抗氧化和抗水化性能，是ー种待开发的、很有前途的高温结构和高性能耐火材料。目前国内外合成Al4SiC4材料主要是以金属(Al+Si)、氧化物(Al203+Si02)和碳粉为原料(Itatani. K, i'akahashi. F, et al, Densification and micro-structural developmentsduring the sintering of aluminum silicon carbide. Journal of Material Science，2002,37 :335-342.),或以碳化物(Al4C3+SiC)为原料(Roger Wills, Steve Goodrich,The Oxidation of Aluminum Silicon Carbide. Ceramic Engineering and ScienceProceedings, 2005, 26 (3) :181 188)在惰性气体或真空的气氛中经高温加热合成。由于需要控制气氛，且合成温度高，制造エ艺复杂，造成合成的Al4SiC4材料价格高，无法大規模エ业应用。中国专利申请号201010143590. 5 (CN102211937A)公开了ー种铝硅碳超细粉体的制备方法。该方法包括下述步骤1)称量下述质量百分比的原料高岭石20 30%,Al2O3原料40 50%和炭原料20 30%，将所述原料搅拌混合，得混合料；2)将所述混合料在真空或氩气气氛中，于1600-1700°C加热并保温8-10小时，冷却后，除去产物表面的杂质层，即得到铝硅碳超细粉体。该方法也需要在惰性气体或真空的气氛中经高温加热合成，所以仍然没解决制造エ艺复杂、制造的材料成本高的技术问题。

发明内容
为了克服现有合成Al4SiC4材料技术成本高、エ艺复杂的缺陷，本发明提供ー种Al4SiC4材料的制备方法。该方法以Al粉、SiC粉和碳粉为原料，在埋碳气氛下，利用普通电炉，采用液态熔铝烧结法制备Al4SiC4材料，具有成本低、エ艺简单的特点，利于エ业生产和应用。为实现上述目的，本发明Al4SiC4材料的合成方法，是将エ业纯的Al粉、SiC粉和碳粉按照重量百分比(55 65) % (20 25) % (15 25) %的比例混合，经压制成型、干燥后，在埋碳气氛下采用液态熔铝烧结法进行烧制、保温和冷却，即得到Al4SiC4材料。所述Al粉、碳化硅粉及碳粉的粒度优选小于0. 088mm,所述的碳粉优选为为石墨或炭黑。本发明更详细的合成エ艺为按重量百分含量将エ业用的45 65%的Al粉、20 35%的SiC粉、15 30%碳粉在行星球磨中加无水こ醇混合均匀后，80 120°C下烘干，将烘干的混合料在200 300MPa压カ下成型，然后将试样埋在装有金属铝粉且不带盖的石墨坩埚中，金属铝粉的量应装满石墨坩埚且保证能将试样完全埋住，再将石墨坩埚埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，焦炭粉应将刚玉匣钵装满并将石墨坩埚完全埋住，并用刚玉盖板将匣钵盖住，再将刚玉匣钵放入电炉内，于1500 1700°C加热并保温2 7小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。为了便于成型，在烘干的混合料中加入占烘干后混合料重量0-5%的结合剂。比如0-5%的酚醛树脂。本发明的化学反应式为4A1 (I)+3C(S)+SiC(S) — Al4SiC4本发明的优点是I、以Al粉、SiC粉和碳粉为原料，在埋碳气氛下合成Al4SiC4材料，无需在惰性或真空气氛中合成，エ艺简単。2、在Al4SiC4材料合成过程中，采用熔渗(熔渗铝)烧结エ艺，一方面熔融铝液能阻止Al4C3与气氛中CO的反应，保证Al4SiC4材料的合成；另一方面，在热处理过程中，随着 Al的熔融,大量的铝液流动扩散到试样中,将试样中的SiC、C包覆，通过液相反应生成大量的Al4C3，进而Al4C3与SiC反应生成Al4SiC4材料。由于具有液相反应的特点，因此烧制时间短，需要2 7小时，而现有技术一般需要8-10小吋。因此，本发明在不提高合成温度的前提下，降低了烧制时间，从而降低了大约20%左右的生产成本低，也易于エ业化生产。用该方法制备的Al4SiC4材料其Al4SiC4含量可达95%以上，其它的杂质为SiC和A1N，这些杂质对其作为耐火材料使用不会产生有害的影响。本方法制备的Al4SiC4材料既可用作耐火材料制品基质组分，也可作为添加剂引入到含碳耐火材料中提高其抗氧化等性能。


图I为本发明实施例合成的Al4SiC4材料的XRD图片。
具体实施例方式下面结合附图和实施实例对本发明做进ー步的描述，并非对保护范围的限制。下述实施例中原料的粒度均为小于O. 088mm。同时下述实施例中所述实验方法,如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例Iー种Al4SiC4材料的合成方法。按质量百分含量将55%的Al粉、25%的SiC粉、20%的炭黑进行称量配料，加入无水こ醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80°C烘干。将得到的混合料在300MPa压カ下压制成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1600°C加热并保温3小吋，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。从图I可以看出，本发明合成后材料的物相为Al4SiC415实施例2ー种Al4SiC4材料的合成方法。按质量百分含量将65%的Al粉、20%的SiC粉、15%的石墨进行称量配料，加入无水こ醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80°C烘干。将得到的混合料在250MPa压カ下压制成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1650°C加热并保温4小吋，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。实施例3
ー种Al4SiC4材料的合成方法。按质量百分含量将61%的Al粉、22%的SiC粉、17%的石墨进行称量配料，加入无水こ醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80°C烘干。在烘干后的混合料中加入混合料重量3%的酚醛树脂作为结合剤，在220MPa压カ下压制成型，制品在240°C处理后，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1600°C加热并保温3小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。
实施例4ー种Al4SiC4材料的合成方法。按质量百分含量将61%的Al粉、22%的SiC粉、17%的炭黑进行称量配料，加入无水こ醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80°C烘干。在烘干后的混合料中加入混合料重量4%的酚醛树脂作为结合剤，在200压カ下压制成型，制品在240°C处理后，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1650°C加热并保温4小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。
权利要求
1.一种Al4SiC4材料的合成方法，其特征在于，它是将工业纯的Al粉、SiC粉和碳粉按照重量百分比(55 65) % (20 25) % (15 25) %的比例混合，经压制成型、干燥后，在埋碳气氛下采用液态熔铝烧结法进行烧制、保温和冷却，即得到Al4SiC4材料。
2.如权利要求I所述的Al4SiC4材料的合成方法，其特征在于，所述的Al粉、碳化硅粉及碳粉的粒度均小于0. 088mm。
3.如权利要求I所述的Al4SiC4M料的合成方法，其特征在于，所述的碳粉为石墨或炭 黑。
4.如权利要求1-3任一所述的Al4SiC4M料的合成方法，其特征在于，详细步骤为按重量百分含量将工业用的45 65%的Al粉、20 35%的SiC粉和15 30%的碳粉在行、星球磨中加无水乙醇混合均匀后，80 120°C下烘干，将烘干的混合料在200 300MPa压力下成型，然后将试样埋在装有金属铝粉且不带盖的石墨坩埚中，金属铝粉的量应装满石墨坩埚且保证能将试样完全埋住，再将石墨坩埚埋在装有焦炭粉的刚玉匣钵中，焦炭粉应将刚玉匣钵装满并将石墨坩埚完全埋住，并用刚玉盖板将匣钵盖住，再将刚玉匣钵放入电炉内，于1500 1700°C加热并保温2 7小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。
5.如权利要求4所述的Al4SiC4材料的合成方法,其特征在于，按质量百分含量将55%的Al粉、25%的SiC粉、20%的炭黑进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80°C烘干；将烘干得到的混合料在300MPa压力下压制成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1600°C加热并保温3小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。
6.如权利要求4所述的Al4SiC4材料的合成方法,其特征在于，按质量百分含量将65%的Al粉、20%的SiC粉、15%的石墨进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80°C烘干；将烘干得到的混合料在250MPa压力下压制成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1650°C加热并保温4小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4 材料。
7.如权利要求4所述的Al4SiC4材料的合成方法，其特征在于，按质量百分含量将61%的Al粉、22%的SiC粉、17%的石墨进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80°C烘干；在烘干后的混合料中加入混合料重量3%的酚醛树脂作为结合剂，在220MPa压力下压制成型，制品在240°C处理后，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1600°C加热并保温3小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。
8.如权利要求4所述的Al4SiC4材料的合成方法，其特征在于，按质量百分含量将61%的Al粉、22%的SiC粉、17%的炭黑进行称量配料，加入无水乙醇至浸没物料为止，在行星磨上充分混合均匀，得到的混合料在80°C烘干；在烘干后的混合料中加入混合料重量4%的酚醛树脂作为结合剂，在200压力下压制成型，制品在240°C处理后，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1650°C加热并保温4小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。
全文摘要
本发明涉及一种Al4SiC4材料的合成方法。所采用的技术方案是按重量百分含量将45～65％的Al粉、20～35％的SiC粉、15～30％碳粉在行星球磨中加无水乙醇混合均匀后，80～120℃下烘干，成型，然后将试样埋在装有金属铝粉的石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入炉内在埋碳条件下，于1500～1700℃加热并保温2～7小时，冷却后，从石墨坩埚中取出试样并除去表面的杂质层，即得到Al4SiC4材料。本发明的方法不需要在真空或惰性气体等保护气氛下合成，工艺简单，合成温度比较低，所得产品的产率、纯度较高，适于规模化生产。产品既可用作陶瓷制品基质组分，也可作为添加剂引入到含碳耐火材料中提高其抗氧化等性能。
文档编号C01B33/00GK102730690SQ20121021151
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月16日 优先权日2012年6月16日
发明者尹明强, 张智慧, 徐国纲, 徐海森, 阮国智 申请人:山东科技大学